автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Исследование процесса шовной контактной сварки стальных листов с двухсторонним алюмокремниевым покрытием

на правах рукописи

РГб од

ШАПОВАЛОВ Сергей Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ШОВНОЙ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ СТАЛЬНЫХ ЛИСТОВ С ДВУХСТОРОННИМ А Л10 М О К Р Е М Н И Е В Ы М ПОКРЫТИЕМ

Специальность 05.03.06 "Технология и машины сварочного производства"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тольятти 2000

Работа выполнена в управлении лабораюрно - испытательны> работ АО АВТОВАЗ

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Столбов В.И.

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Сидоров В.II.

кандидат технических наук Вакатов A.B.

Ведущее предприятие - ОАО «ГАЗ»

Защита диссертации состоится "0{_" 2000 года н

часов на заседании диссертационного Совета К 064.43.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук при Толь-яттинеком политехническом институте по адресу: 44 5667, I-.Тольятти, ГСП, ул. Белорусская 14.

Ваши отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим отправлять по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "«?£" С/^-Т ^РР.!^.. 2000 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета к.т.н., доцент /

Краснопевцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Применение сталей с покрытиями различного типа широко распространено в автомобилестроении, п частности для изготовления топливных баков.

Топливный бак - одна из важнейших частей в конструкции автомобиля. К нему предъявляются требования по прочности, герметичности, стойкости против коррозии при взаимодействии с топливом и окружающей средой.

На АО АВТОВАЗ для изготовления топливных баков применяется лист из стали 08Ю толщиной 0,9 мм со свинцово-оловянным покрытием. Сварка топливных баков производится на машинах шовной контактной сварки с пассивным пантографом. После сварки топливные баки окрашиваются для удовлетворения требований по коррозионной стойкости при взаимодействии с окружающей средой.

Свинец оказывает негативное влияние на окружающую среду. Законодательством ряда стран предполагается ввести запрет на применение освинцованного листа в конструкции автомобиля.

На АО "АВТОВАЗ" проведены исследования различных сталей. В результате установлено, что наиболее высокими антикоррозионными свойствами обладает стальной лист с алюмокремниевым (Al-Si) покрытием. При этом, вследствие высокой коррозионной стойкости указанного материала, из технологического процесса изготовления топливных баков возможно исключить операцию наружной окраски без снижения эксплуатационных свойств.

Однако, при шовной контактной сварке топливного бака из стального листа с Ai-Si покрытием на машинах шовной контактной сварки с пассивным пантографом не обеспечивается стабильное получение качественного соединения. Это является следствием повышенного массопереноса металла покрытия с поверхности изделия на рабочую поверхность роликов в контакте электрод-деталь. При этом ухудшается коррозионная защита изделия по поверхности сварного шва. Появилась необходимость в разработке технологии шовной контактной сварки топливного бака из стального листа

c Al-Si покрытием, при которой коррозионная стойкость сварного шва была бы сравнима с коррозионной стойкостью основного материала.

Цель работы.

Повышение качества соединения стальных листов с двухсторонним алюмокремнисвым покрытием, выполненного шовной контактной сваркой.

В данной работе «качество соединения» рассматривается как характеристика прочности, герметичности и толщины остающегося на поверхности сварного шва покрытия применительно к созданию и эксплуатации топливных баков.

Методы исследования

Исследования включали методики экспериментальных исследований сварочных процессов, в том числе: осциллографирование электрических параметров режима сварки, графоаналитический метод обработки полученных результатов, планирование и математическую обработку полного пятифакторного эксперимента для определения влияния параметров режима шовной контактной сварки на толщину остающегося на поверхности сварного шва покрытия, оценку прочности сварных соединений по результатам механических испытаний на cp<¡3 и на отрыв.

Математические расчеты и обработка экспериментальных данных проводились на ЭВМ.

Научная новизна работы.

1. Установлено, что из-за образования прослойки жидкого металла при плавлении покрытия в контакте электрод-деталь происходит проскальзывание изделия относительно ведущих роликов, в результате чего образуются дефекты - прилипание промежуточного электрода к поверхности изделия и выплески металла из зоны сварки.

2. Установлено, что увеличение погонной энергии от 1000 кДж до 3000 кДж при шовной контактной сварке стальных листов с двухсторонним алюмокремниевым покрытием толщиной 10-13 мкм

приводит к уменьшению толщины остающегося на сварном шве покрытия от 7-8 мкм до 3-4 мкм.

Научная ценность работы заключается в:

а) установлении причины проскальзывания изделия относительно ведущих роликов;

б) определении влияния параметров режима шовной контактной сварки стальных листов с алюмокремниевым покрытием на прочность и герметичность сварного соединения;

в) получении математической модели, устанавливающей связь между параметрами режима шовной контактной сварки стальных листов с алюмокремниевым покрытием и толщиной остающегося на сварном шве покрытия.

Практическая ценность.

Разработана конструкция промежуточного электрода для шовной контактной сварки проката с алюмокремниевым покрытием.

Разработаны' рекомендации по сварке топливных бакоп из стального проката с алюмокремниевым покрытием.

Внедрение результатов работы.

Технические решения используются на АО АВТОВАЗ при изготовлении топливных баков опытных моделей автомобилей ВАЗ из стального проката с алюмокремниевым покрытием.

Годовой эффект при внедрении разработанного способа шовной контактной сварки стальных листов с двухсторонним алюмокремниевым покрытием для изготовления топливных баков автомобилей ВАЗ составит 350'550'000 рублей в ценах на апрель 1997 года.

Публикация результатов и апробация работы.

Результаты работы отражены в 4 статьях, 2 отчетах по научно-исследовательской работе, 2 патентах РФ.

Основные положения диссертации докладывались на Международной научно-практической конференции "Материалы в автомобилестроении" (АО "АВТОВАЗ" г, Тольятти, 1998г.), на научном семинаре кафедры "Оборудование и технология сварочного производства" ТолПИ, на научно-техническом совете отдела технологии металлов управления лабораторно-испытательных работ АО "АВТОВАЗ".

Образец топливного бака из стального листа с алюмокремние-вым покрытием экспонировался на международных специализированных выставках "Сварка-95" и "Сварка-99" (г. С-Петербург, 1995г. и 1999г.).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов по работе и приложения. Работа содержит 152 страницы, в том числе 60 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 96 наименований.

В приложении приведены акт использования изобретения, два патента РФ, расчет экономической эффективности.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проведен анализ материалов для изготовления топливных баков автомобилей, показана актуальность выполнения данной работы, сформулирована цель исследования.

В первой главе по литературным данным проведен анализ факторов, влияющих на качество соединения стальных листов с двухсторонним алюмокремниевым покрытием при шовной контактной сварке, приведены требования как к самим роликовым электродам, так и к их рабочей поверхности.

Отмечается, что большой вклад в развитие технологии контактной сварки сталей с покрытиями внесли A.A. Чакалев, С.М. Попов, Е.Я. Губарь, Б.Д. Орлов, А.И. Гуляев, П.Л. Чулошников и другие. За рубежом работами в этой области занимаются Н. Neu-man, J. Forman, H. Lohbrandt, L. Stanislaw, S. Guzman и другие.

Наличие покрытия на поверхности сталей ухудшает их свариваемость при шовной контактной сварке. Показано, что улучшить

;вариваемость покрытых сталей возможно различными методами. Рекомендуется применять более высокие усилия сжатия между электродами при контактной сварке покрытых сталей по сравнению с необходимыми значениями для сварки листов без покрытия. Однако, возрастание усилия сжатия между электродами приводит к увеличению сварочных токов, что снижает срок службы электродов. Также большое значение при шовной сварке покрытых сталей имеет цикл сварки: величина и соотношение времени пропускания сварочного тока и времени паузы.

Показано, что при шовной контактной сварке сталей с покрытием активно протекают процессы налипания покрытия на рабочую поверхность электродов, которые снижают качество сварного соединения. При этом увеличивается вероятность образования не-проваров, выплесков металла, уменьшается срок службы электродов. Плавление легкоплавких покрытий при контактной сварке происходит с образованием прослойки жидкого металла в контакте электрод-деталь.

Повысить стойкость электродов можно применением дополнительных вставок или промежуточных прокладок. Отмечается, что необходимо уделять внимание вопросам исследования влияния погонной энергии на прочность и герметичность сварного соединения и процессы массопереноса покрытия с поверхности изделия на поверхность электродов. При этом погонная энергия является совокупной характеристикой параметров режима сварки.

Показано, что количество покрытия, переходящего на поверхность электрода снижает коррозионную стойкость сварной конструкции. Поэтому оптимизация режимов контактной сварки важна не только для повышения качества сварного соединения, но и для повышения коррозионной стойкости изделий.

При швах большой протяженности на деталях малой толщины или при сварке сталей с коррозионными покрытиями на основе активных металлов (7,п, А1 и т.п.) в качестве рабочей поверхности роликов рекомендуется использовать проволоку из холоднокатаной меди с заданным профилем. Однако, привод роликов через шарошки на машинах шовной контактной сварки не позволяет использовать промежуточный электрод.

В соответствии с изложенным, в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:

1. Модернизировать машину шовной контактной сварки.

2. Исследовать влияние прослойки жидкого металла покрытия в контакте электрод-деталь на качество сварного соединения.

3. Определить область допустимых значений параметров режима шовной контактной сварки с промежуточным электродом стальных листов с алюмокремниевым покрытием, в которой образуется прочное и герметичное сварное соединение.

4. Установить закономерности влияния погонной энергии на толщину покрытия, остающегося на поверхности сварного шва.

5. Разработать рекомендации по шовной контактной сварке с промежуточным электродом стали с алюмокремниевым покрытием.

Во второй главе описаны работы по модернизации лабораторной установки. Исследования проводили на однофазной машине шовной контактной сварки ф. «ELFIN» (модель SFR 477) мощностью 200 кВА с пантографом для изготовления топливных баков ВАЗ 2108.

Для применения промежуточного электрода изготовлен прово-лочно-профилирующий механизм и изменена конструкция привода роликов: шарошки заменены зубчатой передачей.

После предварительного анализа для сварки стальных листов с Al-Si покрытием выбран профиль промежуточного электрода, рекомендуемый ф. "SOUDRONJC".

В третьей главе описаны механизм и причины образования прослойки жидкого металла покрытия в контакте электрод-деталь.

При исследованиях отмечались внутренний и наружный выплеск металла и прилипание промежуточного электрода к поверхности изделия. Эти дефекты происходят по причине проскальзывания изделия относительно ведущих роликов сварочной машины из-за образования прослойки жидкого металла в контакте электрод-деталь при плавлении покрытия. Для устранения этого явления разработан новый профиль промежуточного электрода, обеспечивающий получение качественного сварного соединения (рис. 1 ). На разработанный профиль промежуточного электрода получен патент РФ № 2119417 на изобретение "Электродная проволока для шов-

ной контактной сварки" (зарегистрирован в Государственном реестре изобретений 27 сентября 1998 г.).

В четвертой главе рассматривались вопросы влияния иараме1-ров режима шовной контактной сварки (тока сварки, скорости сварки, усилия сжатия электродов, времени пропускания тока сварки и времени паузы между импульсами тока) на прочность и герметичность сварного соединения стальных листов с двухсторонним алюмокремниевым покрытием.

Описана методика определения области допустимых значений параметров режима шовной контактной сварки. Для замера и контроля параметров режима шовной контайтной сварки применяли следующее оборудование:

- прибор для измерения параметров режима контактной сварки МИКС-2, ТОО "Компания по автоматизации сварки", С-Петербург, Россия;

- манометр МТ-280, диапазон измерений 0-10 кгс/см2, погрешность 0,5 кгс/см2;

- регулятор циклов сварки РМС-23.

Проведена серия экспериментов. Устанавливали значения скорости сварки (1,0-4,0 м/мин, шаг 0,5 м/мин), усилия сжатия элек-

Рис. 1. Профиль промежуточного электрода для шовной контактной сварки.

тродов (3,5-7,0 кН, шаг 0,5 кН), времени пропускания сварочного тока (2, 3, 4, 5 пер.) и времени паузы (0, 1,2 пер.).

Ток сварки изменяли от значений, при которых образуется непровар, до значений, при которых происходит выплеск металла из зоны сварки или прилипание промежуточного электрода к поверхности изделия. Для определения прочности сварного соединения проводили механические испытания на срез и на отрыв.

Сварку производили на образцах размером 700x160 мм, наложенных друг на друга, швами по 450-500 мм. Сварные швы располагали на расстоянии не менее 20 мм друг от друга и не менее 15 мм от края образца.

Получена область допустимых значений параметров режима шовной контактной сварке стального листа с Al-Si покрытием, при которых образуется плотный герметичный сварной шов с перекрытием точек сварки и разрушение образцов происходит по основному металлу (рис. 2).

to, * tn = const

Icb, кА

Рис. 2. Область допустимых значений параметров режима шовной контактной сварки.

- и -

Ниже этой области получаются непровары.

Выше - выплески металла из зоны сварки или прилипание промежуточного электрода к поверхности изделия.

При шовной контактной сварке стальных листов толщиной 0,9 мм с покрытием на основе алюминия (10 % Б^) толщиной 10-13 мкм на значениях параметров режима в полученных пределах образуется прочное и герметичное сварное соединение.

При анализе полученных результатов выявлено:

1) Увеличение скорости сварки от минимального до максимального значений в указанных пределах приводит к расширению интервала 1Свм1и - 1свмах , при котором образуется качественное сварное соединение.

2) На больших скоростях сварки (3,5 - 4,0 м/мин) верхний предел по току ограничивается выплесками металла из зоны сварки.

3) На малых скоростях сварки верхний предел по току сварки ограничивается, в основном, прилипанием промежуточного электрода к поверхности стальных листов. Выплески металла начинают проявляться при увеличении тока сварки выше значений, при которых происходит прилипание промежуточного электрода.

4) Увеличение скорости сварки в заданных пределах для сохранения качества сварного соединения компенсируется повышением тока сварки.

5) При увеличении времени пропускания тока сварки и/или уменьшении времени паузы между импульсами тока сварки возрастает вероятность прилипания промежуточного электрода к поверхности свариваемых стальных листов. Уменьшается интервал значений 1свмш - 1свмах . при которых образуется качественное сварное соединение.

6) При увеличении усилия сжатия электродов от минимального до максимального значений в указанных пределах происходит расширение интервала 1свм^ - 1свмах > ПРИ котором образуется качественное сварное соединение.

Пятая глава посвящена исследованию влияния погонной энергии на толщину остающегося на поверхности сварного шва покрытия при шовной контактной сварке.

В настоящее время топливные баки из стального листа со свинцово-оловянным покрытием после сборки окрашиваются для

придания им необходимых свойств по защите от воздействия окружающей среды.

Предлагаемый для изготовления топливных баков стальной лист с покрытием на основе алюминия обладает более высокой коррозионной стойкостью. Это дает возможность исключить окраску топливных баков после сварки и сборки.

При проведении экспериментов отмечено налипание части покрытия на поверхность промежуточного электрода. Оставшееся на поверхности сварного шва покрытие имеет значительно меньшую толщину (3-6 мкм). Следовательно, защитные свойства от коррозии данного участка топливного бака снижаются.

Также было отмечено, что количество переходящего на рабочую поверхность электродов покрытия, а соответственно, и толщина остающегося на поверхности сварного шва покрытия зависят от погонной энергии, которая является совокупной характеристикой параметров режима шовной контактной сварки.

В результате проведенных экспериментов получена зависимость толщины остающегося на поверхности сварного шва покрытия от погонной энергии: 8цокр - ^ ( Опог ) (рис. 3), где:

8покр - толщина остающегося на поверхности сварного шва покрытия,

С?пог - погонная энергия.

10

□

Рис. 3. Изменение толщины остающегося на поверхности сварного шва покрытия от погонной энергии.

При увеличении погонной энергии толщина остающегося на поверхности сварного шва покрытия уменьшается. Увеличение усилия сжатия электродов FCsc приводит к снижению толщины остающегося покрытия при тех же значениях погонной энергии Qnor-Таким образом зависимость толщины остающегося на поверхности сварного шва покрытия можно представить в виде линейного уравнения:

бпокр - ао + ai Qnor + аг Fcac •

Однако, данная зависимость не позволяет оценивать влияние отдельно взятого параметра режима сварки (1Св. VCB, tcb.tn) или их различных сочетаний между собой на величину остающегося покрытия.

Для решения инженерной задачи по выбору рационального режима сварки, при котором толщина остающегося покрытия будет наибольшей, целесообразно построить математическую модель процесса: 5Покр = f (НСж, tn, 1св, 1св, VCB), где:

8покр ~ толщина остающегося на поверхности сварного шва покрытия,

1св - ток сварки, VCB - скорость сварки, Few - усилие сжатия электродов, 1сп - время пропускания тока сварки, tn - время паузы между импульсами тока сварки. Для проведения экспериментов разработана методика определения рационального режима шовной контактной сварки стали с покрытием по толщине остающегося после сварки на поверхности сварного шва покрытия.

Для определения рационального режима шовной контактной сварки с промежуточным электродом стали с двухсторонним алю-мокремниевым покрытием проведен полный пятифакториый эксперимент.

В соответствии с составленной матрицей проведены 32 эксперимента с различными сочетаниями параметров режима. При этом п каждом эксперименте проводили по пять параллельных опытов.

Расчет коэффициентов bj проводили по программе обработки результатов пятифакторного эксперимента. На основании полученных результатов составлено уравнение регрессии:

5 - 6,214 - 0,636 x kB- IcBCp f 0,611 x VcB VcBcp -

0,5д1св 0,5avcb

_ 0,801 x Гсж'Гсж-ср - 0,708 x tcB'tc'cp + 0,776 x HL^fE _ 0,5AFc¡k 0,5atci) 0,5Atn

0,201 x k'8 -fcBCp X VcB:'VcB-cp + 0,092 x 1св-1слср X tCB' tCBXp . 0,5Д1св 0,5AVcb 0,5Д1св 0,5AtCB

,, , , Vcb-Vcb.co Fcx-Fcx.cp „ Vcb-Vcb.cp tce- tcsxp

•i 0,126 x -- x--- + 0,126 x--- x ———- -

■ 0,5AVcb 0,5AFok 0,5avcb 0,5atob

n , , о Г'сж - Рсж.ср tce - tcB.cp , _ . „ , Fe» - Fcac.cp tn - tacp ,

- 0,168 x -—— x -~ + 0,136 x —-- x -- +

0,5ДРсж 0,5AtcB 0,5Л1хж 0,5Atn

л te В - tCB.Op tn--tn.cp

+ 0,168 x —--- x----- , где:

0,5AtcB 0,5Atn

- aicb ~ icbmax icbmln»

- AVCB = VCBMAx Vcbmin

- дрсж = рсжмах - fcxmin

- AtcB ~ tcBMAX tcBMIN

- Atu = tflMAX - tiiMlN

При обработке результатов проведенных экспериментов выявлено:

1) При увеличении тока сварки, усилия сжатия электродов и времени пропускания тока сварки толщина покрытия уменьшается.

2) Толщина остающегося на сварном шве покрытия уменьшается при одновременном увеличении тока сварки и скорости сварки, тока сварки и усилия сжатия электродов, тока сварки и времени пропускания тока сварки.

3) При увеличении скорости сварки и времени паузы между импульсами тока толщина покрытия, остающегося на сварном шве возрастает.

4) Уменьшение усилия сжатия электродов при увеличении скорости сварки приводит к увеличению толщины остающегося на сварном шве покрытия.

Для оценки влияния изменения пределов регулирования параметров режима шовной контактной сварки на толщину остающегося на сварном шве покрытия был проведен повторный пятифактор-

ный эксперимент в новых пределах регулирования параметров режима сварки.

В результате проведения повторного пятифакторного эксперимента с измененными пределами регулирования параметров режима шовной контактной сварки и обработки полученных результатов были подтверждены вышеизложенные зависимости толщины остающегося на сварном шве покрытия от тока сварки, скорости сварки, усилия сжатия электродов, времени пропускания тока сварки и времени паузы между импульсами тока сварки. При этом максимальные и минимальные значения толщины остающегося на сварном шве покрытия оказались ниже, чем при проведении предыдущей серии экспериментов.

Это объясняется меньшими значениями скорости сварки, увеличенными значениями усилия сжатия электродов и времени пропускания тока сварки.

На основании результатов анализа влияния параметров режима шовной контактной сварки на толщину остающегося на сварном шве покрытия была определена область режимов шовной контактной сварки с промежуточным электродом стали толщиной 0,9 мм с двухсторонним покрытием на основе алюминия (8-10 % Si) толщиной 10-13 мкм. Для проверки работоспособности полученной математической модели из полученной области был выбран режим шовной контактной сварки:

Jen = 23,0 ± 0,5 кА: VCB = 4,0 ± 0,2 м/мин;

Fcac = 4,5 ± 0,3 кН; tcb = 3 пер; tn = 1 пер.

При подстановке указанных значений параметров режима сварки в уравнение регрессии расчетная толщина остающегося на сварном шве покрытия равна:

5 - 6,214 + (-0,636) х (-1) + 0,611 х ( + 1) + (-0,802) х 0 -+ (-0,708) х (+1) + 0,776 х 0 + (-0.201) х (-1) х (+1) -+ 0,092 х(-1) х (+1) + 0,126 х ( + 1) х 0 4 + 0,126 х (+1) х (4-1) + (-0,168) х 0 х ( + 1) 4 4 0,136 х 0 х 0 + 0,168 х (-) 1) х 0 = ~ 7 мкм.

На указанном режиме шовной контактной сварки стальных листов толщиной 0,9 мм с двухсторонним покрытием на основе алюминия (8-10 % Si) толщиной 10-13 мкм образуется качествен-

ное сварное соединение с толщиной остающегося на сварном шве покрытия 7 мкм.

Равенство расчетного и практического значений толщины остающегося на сварном шве покрытия позволяют считать полученное уравнение регрессии верным.

Шестая глава. При проведении экспериментов было выявлено, что на появление выплесков металла из зоны контакта деталь-деталь влияет величина расстояния от края свариваемых листов до середины сварного шва. Причиной образования этого дефекта при малом (3-6 мм) расстоянии от края свариваемых листов до середины сварного шва является совокупное воздействие погонной энергии и усилия сжатия электродов.

Для определения расстояния от края свариваемых листов до середины сварного шва проведена серия экспериментов на рациональном режиме шовной контактной сварки. В результате получена рекомендуемая величина расстояния от края свариваемых листов до середины сварного шва: не менее 9,0 мм.

На основании результатов, полученных в данной работе, разработаны рекомендации по шовной контактной сварке топливны> баков из стального листа толщиной 0,9 мм с двухсторонним A1-S: покрытием толщиной 10-13 мкм, получен патент РФ № 2144452 ш изобретение "Способ изготовления топливного бака автомобиля' (зарегистрирован в Государственном реестре изобретений 20 янва ря 2000 г.).

На производственном участке лаборатории сварки и пайк1 управления лабораторно-исследовательских работ изготовлень опытные образцы топливных баков ВАЗ 2108 из стального листа < Al-Si покрытием.

При металлографических исследованиях топливного бака ВА^ 2108, изготовленного из стали с Al-Si покрытием и прошедшей испытания на атмосферную коррозию выявлено:

1) коррозионное поражение стальной матрицы со стороны воз действия топлива глубиной до 7 мкм;

2) глубина коррозионного поражения стальной подложки ci стороны воздействия атмосферы по сварному шву составляет н более 7 мкм;

3) в зазоре между листами располагается выдавленный металл окрытия, который защищает сварной шов от щелевой коррозии.

Оценка состояния наружной и внутренней поверхности топ-ивных баков, прошедших дорожные испытания, показала высокий ровень коррозионной стойкости стального листа с двухсторонним люмокремниевым покрытием в области сварного шва, выполнен-ого шовной контактной сваркой. Это позволяют исключить опе-ацшо окраски топливного бака.

При шовной контактной сварке с промежуточным электродом опливных баков из стального листа толщиной 0,9 мм с Al-Si по-:рытием толщиной до 13 мкм на указанных выше режимах и при ¡ыполнеиии всех пунктов рекомендаций получается прочное и ерметичное сварное соединение с высоким уровнем коррозионной ;тойкостн в области сварного шва. Таким образом, цель, иостав-1енная в данной работе, достигнута.

Разработанные способ изготовления топливных баков автомо-Зилей и новая конструкция промежуточного электрода нспользу-отся на АО АВТОВАЗ при изготовлении топливных баков опытных моделей автомобилей ВАЗ 2131, ВАЗ 2123 и ВАЗ 1119 из стального листа с алюмокремниевым покрытием.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Показано, что прилипание промежуточного электрода к поверхности изделия и выплески металла из зоны сварки происходят из-за проскальзывания изделия относительно ведущих роликов при плавлении покрытия в контакте электрод-деталь.

2. Установлено, что плавление покрытия в контакте электрод-деталь с образованием прослойки жидкого металла происходит в два этапа: в начале процесса сварки из-за увеличения плотности тока в 2-3 раза в местах контакта поверхности электрода с покрытием и на стадии формирования сварной точки в результате разогрева зоны контакта выше точки плавления эвтектики Al-Si.

3. Предложен промежуточный электрод, конструкция которого позволяет удалить расплавляющийся металл покрытия из зоны контакта электрод-деталь и устранить проскальзывание изделия

относительно ведущих роликов (патент РФ № 2119417 «Электродная проволока для шовной контактной сварки»).

4. Определена область допустимых значений основных параметров режима шовной контактной сварки стальных листов с двухсторонним алюмокремниевым покрытием, при изменении которых в полученных пределах обеспечивается прочность сварного соединения 0,95 от прочности основного металла и герметичность изделия.

5. Установлено, что увеличение погонной энергии от 1000 кДж до 3000 кДж при шовной контактной сварке стальных листов с двухсторонним алюмокремниевым покрытием толщиной 10-13 мкм приводит к уменьшению толщины остающегося на сварном шве покрытия от 7-8 мкм до 3-4 мкм.

6. Получена математическая модель, устанавливающая связь между параметрами режима сварки и толщиной остающегося на поверхности сварного шва покрытия. Определена область режимов шовной контактной сварки стальных листов с двухсторонним алюмокремниевым покрытием, которая обеспечивает толщину остающегося на поверхности сварного шва покрытия не менее 7 мкм, что позволяет исключить операцию окраски при изготовлении топливных баков.

7. Разработаны рекомендации по шовной контактной сварке стального листа с двухсторонним алюмокремниевым покрытием применительно к изготовлению топливного бака автомобиля (патент РФ№ 2144452 «Способ изготовления топливного бака автомобиля»). Годовой эффект при внедрении разработанного способа для изготовления топливных баков автомобилей ВАЗ составит 350'550'000 рублей в ценах на апрель 1997 года.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Шаповалов C.B., Цепенев P.A. Повышение стойкости электродов при контактной точечной сварке. Тезисы докладов студенческой научно-технической конференции. Тольятти, 1993.

2. Модернизация машины контактной шовной сварки по; сварку алюминированных сталей. - Отчет по теме НИР 12033-95

6]. / АО АВТОВАЗ, А.H. Чернышев, C.B. Шаповалов; Архивный № 12033/64 от 27.05.1997. Тольятти. 1997. с. 45.

3. Исследование альтернативных материалов для топливного Оака автомобилей ВАЗ. - Отчет по НИР / АО АВТОВАЗ, В.Г. Азиз-бокян, A.B. Жученко, Жаданонский Э.И., Шаповалов C.B. и др. Тольятти, 1997, с. 64.

4. Сварка топливных баков из стали с алюмокремнисвым покрытием/ В.И. Столбов, А.К. Тихонов, А.Н. Чернышев, C.B. Шаповалов. - Сварочное производство, 1998, № 9, с. 33-34.

5 Применение стали с алюмокремпиевым покрытием для изготовления топливных баков и деталей системы выпуска газов/ А.К. Тихонов, А.Н. Чернышев, C.B. Шаповалов, И.П. Соколова - Материалы в автомобилестроении: Тезисы докладов Международной научно-практической конференции. - Тольятти, АО "АВТОВАЗ", 1998, с. 18.

6 Столбов В.И.. Шаповалов C.B. Определение параметров режима контактной шовной сварки стали с алюмокремпиевым покрытием. Педагогические, экономические и социальные аспекты учебной, научной и производственной деятельности. Межвузовский сборник научных трудов. Тольятти. 1998, с. 218-220.

7. Патент РФ № 2119417 Электродная проволока для шовной контактной сварки / А.Н. Чернышев, C.B. Шаповалов, А.К. Тихонов - Опубл. в Б.И., № 27, 1998 г.

8. Патент РФ № 2144452 Способ изготовления топливного бака автомобиля /' А.К. Тихонов, А.Н. Чернышев, C.B. Шаповалов -Опубл. в Б.И., № 2, 2000 г.

Введение

Анализ свариваемости сталей с покрытиями при контактной сварке

Особенности процесса шовной контактной сварки Особенности шовной контактной сварки с промежуточным электродом

Задачи исследования

Модернизация машины шовной контактной сварки

Общая схема лабораторной установки

Изменение конструкции лабораторной установки

Вывод

Исследование влияния прослойки жидкого металла покрытия в контакте электрод-деталь на качество сварного соединения

Определение механизма образования прослойки жидкого металла покрытия в контакте электроддеталь

Разработка профиля промежуточного электрода

Выводы

Определение области допустимых значении параметров режима шовной контактной сварки

Факторы, влияющие на качество сварного соединения .—.

Методика определения области допустимых значений параметров режима шовной контактной сварки

Проведение экспериментов

Обработка и анализ результатов экспериментов

Выводы

Исследование влияния параметров режима шовной контактной сварки на толщину остающегося на сварном шве покрытия

Факторы, влияющие на толщину остающегося на сварном шве покрытия

Методика определения рационального режима шовной контактной сварки стальных листов с двухсторонним алюмокремниевым покрытием по толщине остающегося на поверхности сварного шва покрытия

Обработка и анализ результатов экспериментов . Влияние изменения пределов регулирования параметров режима шовной контактной сварки на толщину остающегося на сварном шве покрытия

Определение рационального режима шовной контактной сварки стальных листов с двухсторонним алюмокремниевым покрытием

Выводы

Разработка рекомендаций по шовной контактной сварке стального листа с покрытием на основе алюминия

Определение величины минимального расстояния от края свариваемых листов до середины сварного

Общая схема технологического процесса

Изготовление и испытание образцов топливных баков

Выводы

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Показано, что прилипание промежуточного электрода к поверхности изделия и выплески металла из зоны сварки происходят из-за проскальзывания изделия относительно ведущих роликов при плавлении покрытия в контакте электрод-деталь.

2. Установлено, что плавление покрытия в контакте электрод-деталь с образованием прослойки жидкого металла происходит в два этапа: в начале процесса сварки из-за увеличения плотности тока в 2-3 раза в местах контакта поверхности электрода с покрытием и на стадии формирования сварной точки в результате разогрева зоны контакта выше точки плавления эвтектики Al-Si.

3. Предложен промежуточный электрод, конструкция которого позволяет удалить расплавляющийся металл покрытия из зоны контакта электрод-деталь и устранить проскальзывание изделия относительно ведущих роликов (патент РФ № 2119417 «Электродная проволока для шовной контактной сварки»).

4. Определена область допустимых значений основных параметров режима шовной контактной сварки стальных листов с двухсторонним алюмокремниевым покрытием, при изменении которых в полученных пределах обеспечивается прочность сварного соединения 0,95 от прочности основного металла и герметичность изделия.

5. Установлено, что увеличение погонной энергии от lOOOi^acfoi до ЗОООкДж/м при шовной контактной сварке стальных листов с двухсторонним алюмокремниевым покрытием толщиной IO-1'З мкм приводит к уменьшению толщины остающегося на сварном шве покрытия от 7-8 мкм до 3-4 мкм.

6. Получена математическая модель, устанавливающая связь между параметрами режима сварки и толщиной остающегося на поверхности сварного шва покрытия. Определена область режимов шовной контактной сварки стальных листов с двухсторонним алю

140 мокремниевым покрытием, которая обеспечивает толщину остающегося на поверхности сварного шва покрытия не менее 7 мкм, что позволяет исключить операцию окраски при изготовлении топливных баков.

7. Разработаны рекомендации по шовной контактной сварке стального листа с двухсторонним алюмокремниевым покрытием применительно к изготовлению топливного бака автомобиля (патент РФ№ 2144452 «Способ изготовления топливного бака автомобиля»), Годовой эффект при внедрении разработанного способа для изготовления топливных баков автомобилей ВАЗ составит 35(Г55СГ000 рублей в ценах на апрель 1997 года.

141

1. Адлер Ю.ГГ, Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий М.: Наука, 1976.280 с.

2. Айххори, Пялл К., Шнитц Г. Точечная и рельефная сварка сопротивлением стальных листов с покрытием. "Черные металлы" № 21. 1989 г, 24-30.

3. Аксельрод Ф.А. и др. Контактная сварка. М., Профтехиз-дат, 1962.

4. Аксельрод Ф.А., Миркин A.M. Оборудование для контактной сварки: справочник. М,: Машиностроение, 1979.70 с.

5. Аксельрод Ф.А., Миркин A.M. Оборудование для сварки давлением. М., Высшая школа, 1975. 238 с.

6. Балковец Д.С., Орлов Б.Д., Чулошников П.Л. Точечная и роликовая сварка специальных сталей и сплавов. М., Оборонгиз, 1957.

7. Банов М.Д. Контактная сварка. Часть 2 (спецглавы). Конспект лекций. Тольятти: УЦ "Жигули", ТолПИ, 1999. 141 с.

8. Блох Л.С. Практическая номография. М.: Высшая школа, 1971. 328 с.

9. Булатов Э.И. Точечная машина с поворотными электродными головками для сварки легких сплавов. "Сварочное производство", 1 964, № 4.

10. Гельман A.C. Основы сварки давлением. M., Машиностроение, 1970.

11. Гельман A.C. Технология и оборудование контактной сварки. М., Машиностроение, 1960. 368 с.

12. Глебов JÏ.B., Пескарев М.А., Файгенбаум Д.С. Расчет и конструирование машин контактной сварки. Л., Энергоиздат, 1981. 423 с.

13. Горский В.В., Бабкин Л.Т. Исследование процесса роликовой сварки тонколистовой нержавеющей стали 1Х18Н9Т. "Автомагическая сварка", 1960, № 1.

14. Горячеалюминированный стальной лист для корпусов топливных баков. Hot dip aluminized sheet metal for fuel tank bodies. Thomas Stegemann. Thyssen Stahl AG, Application Department, 1995, pp. 17.

15. ГОСТ 15878-79 Контактная сварка. Соединения сварные. Конструктивные элементы и размеры.

16. ГОСТ 2601-84 Сварка металлов. Термины и определения основных понятий.

17. ГОСТ 6996-66 Сварные соединения. Методы определения механических свойств.

18. Губарь Е.Я. Исследование процесса и разработка технологии точечной и шовной контактной сварки низкоуглеродистой стали 08КГ1 с хромовым покрытием. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Киев, 1979. 16 с.143

19. Гуляев Л.И. Технология точечной и рельефной сварки сталей. М., Машиностроение, 1978. 244 с.

20. Зайчик J1.B., Орлов Б.Д., Чулошников II.Л. Контактная электросварка легких сплавов. М., Машгиз, 1963.

21. Золотарев Б.Б. Статическая прочность сварных точек при совместном действии усилий отрыва и среза. "Сварочное производство", 1959, № 8.

22. Исследование альтернативных материалов для топливного бака автомобилей ВАЗ. Отчет по НИР / АО АВТОВАЗ, В.Г. Азиз-бекян, A.B. Жученко, Жадановский Э.И. и др. Тольятти, 1997, 64с.

23. Исследование коррозионной стойкости сталей с покрытиями для бензобаков. Отчет по НИР / ЦНИИЧМ. Москва, 1996.

24. Кабанов Н.С. Сварка на контактных машинах. М., Высшая школа, 1979. 215 с.

25. Контактная (электродная проволока) для шовной контактной сварки. Заявка на патент № 0207361, МКИ4 В 23 К 35/06, 1 1/06, 1 1/30. Опубл. 07.01.87.144

26. Контактная сварка металлов с новыми покрытиями (Resistance welding of modern coated materials) / Roach B.W. // Weld. Rev., 1988, 7, № 4, p. 226-230.

27. Контактная сварка стали с покрытиями. Такахаси Ясуо. "Есэцу гидзк)цу, Weld. Techn.", 1984, 32, №7, с. 31-37.

28. Контактная сварка стального листа "гальвалюм". Технические материалы ф. "Бетлхем Стил", США, 1986, с. 22.

29. Контактная точечная сварка оцинкованных стальных листов / Rysavy Erzsebet. // Sch weisstechnik (DDR), 1980, 30, № 2, p.71-72.

30. Контактная точечная сварка стальных листов с покрытием Al-Zn-Si. Zgrzewanie punktowe blach stalowych metalizowanych zanurzenoiowo stopem Al-Zn-Si / Latik Stanislaw, Larysz Henryk // Zesz. nauk. Hut. / PSL. 1992, № 36, c. 151-157.

31. Контактная точечная сварка тонких листов с покрытием типа Zn-Fe / Mucha Miroslav, Skvarcek Dalibor, Matejec Juraj. // Zvaranie, 1990, 39, № 5, p. 138-143.

32. Контактная точечная сварка тонколистовой горячеалюми-нированной стали. Zum Widerstandspunktschweißen feueraluminierter Feinbleche. Horst Lohbrandt, Hans-Dieter Gall. Thyssen Technischa Berichte, 1981, Heft 1, 41-47.

33. Контактная шовная сварка. Rollnahtwiderstendssweißen. Muller Helmut; Hoesch Werke AG. Заявка 3220457 ФРГ. Заявл. 29.05.82, № P 3220457.4, опубл. 01.12.83. МКИ В 23 К 1 1/06.

34. Контроль качества сварки/ Под ред. В.И. Волченко,- М., Машиностроение, 1975. 328 с.

35. Контроль точечной и роликовой электросварки. / Под ред. Б.Д. Орлова. М.: Машиностроение, 1973. 304 с.

36. Кочергин К.А. Выбор технологии контактной сварки. Л., Судпромгиз, 1952.145

37. Кутовский С.И. Электроды контактных электросварочных машин. Л., Машиностроение, 1964. 1 12 с.

38. Лавренов Ю.А. Влияние размеров и формы электродов на поле тока при точечной сварке. "Сварочное производство", 1965, №12.

39. Малюков А.Ф. Сварочные ролики с внутренним охлаждением проточной водой. "Сварочное производство", 1955, №7.

40. Маслов Г.А., Орлов Б.Д. Технология точечной и роликовой сварки. М., НТО Машпром, 1963.

41. Михайлова Э.М. Поведение металла электродов при точечной сварке малоуглеродистых сталей. "Сварочное производство", 1970, № 6.

42. Михайлова Э.М., Бруссель Г.Г., Замятин И.П., Борисов H.H. Стойкость электродов при точечной сварке легких сплавов. -"Сварочное производство", 1969, № 8.

43. Модернизация машины контактной шовной сварки под сварку алюминированных сталей. Отчет по теме НИР 12033-9561. / АО АВТОВАЗ, А.Н. Чернышев, С.В. Шаповалов; Архивный № 12033/64 от 27.05.1997. Тольятти, 1997. 45 с.

44. MC ISO 8402 Управление качеством и обеспечение качества Словарь.

45. Назаров С.Т. Методы контроля качества сварных соединений. М., Машиностроение, 1964.

46. Николаев А.К., Розенберг В.М. Сплавы для электродов контактной сварки. М., Металлургия, 1978. 96 с.

47. Определение содержания и скорости накопления металла в топливных смесях в ходе коррозионных испытаний материалов для изготовления бензобаков. Отчет по НИР / ВНИИНП. Москва, 1994.146

48. Орлов Б.Д., Дмитриев Ю.В., Марченко A.J1. К вопросу о контроле качества точечной и роликовой сварки. "Сварочное производство", 1965, № 7.

49. Орлов Б.Д., Чулошников П.Л. Испытание сварных точек на скручивание. "Сварочное производство", № 6.

50. Основы научных исследований: Учебное пособие/ Под ред. проф. В.М. Крутова, доц. В.В. Попова. М.: Высш. Школа, 1989. 400 с.

51. Патон Б.Е., Лебедев В.К. Электрооборудование для контактной сварки. М., Машиностроение, 1969. 440 с.

52. Подола П.В. и др. Оценка влияния параметроь режима на размеры ядра при точечной сварке. "Автоматическая сварка", 1970, №11.

53. Попов B.C., Попов С.М., Губарь Е.Я. и др. Точечная сварка стали с вакуумно-диффузионным хромовым покрытием. Сварочное производство, 1974, № 7, с. 24-25.

54. Попов B.C., Попов С.М., Губарь Е.Я. Свойства соединений хромированной низкоуглеродистой стали при шовной сварке. -Сварочное производство, 1975, № 7, с. 22-23.

55. Процесс контактной точечной сварки листов из стали с покрытием. Humblot Bernard; SteelWeld France. Заявка 2513158, Франция. Заявл. 24.09.81, № 8118007, опубл. 25.03.83. МКИ В23 К 11/10.

56. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М.: Высшая школа, 1971. 328 с.

57. Свариваемость при точечной сварке тонколистовой стали с гальваническим покрытием. Yamauchi Nobuyuki, Taka Takao. "Есэцу гаккай ромбунсю, Quart. J. Jap. Weld. Soc.", 1983, 1, № 3, 355-360.

58. Свариваемость стальных листов, покрытых цинком, осажденным из паровой фазы, при точечной сварке / Morita Arihiko, Inoue Shoji, Takezoe Akinobu // "Киндзоку хемэн гидзюцу, J. Metal. Finish. Soc. Jap.", 1988, 39, №> 5, с. 270-275.

59. Сварка конструкционной стали с гальваническим покрытием. Часть 2. Контактная сварка. Galvanizing and welding structural steel. Part 2. Resistance welding. Porter F.C. "Metal Constr.", 1983, 1 5, № 1 1, 676-679.

60. Сварка стального листа, покрытого с двух сторон сплавом алюминия с цинком. Soldadura del algafort / Suares Guzman // "Rev. soldad.", 1987, 17, № 4, p. 180-187.

61. Сварка стальных листов с металлопокрытием / Porti Werner // "ZIS Mitt.", 1982, 30, №4, p. 354-367.

62. Сварка топливных баков из стали с алюмокремниевым покрытием/ В.И. Столбов, А.К. Тихонов, A.M. Чернышев, C.B. Шаповалов. Сварочное производство, 1998, № 9, с. 33-34.

63. Симонов Ю.И. Исследование контактного взаимодействия электродов и деталей при точечной сварке сплавов алюминия. Л., Судостроение, 1965. (Труды ЦНИИТС, вып. 56).148

64. Синицын А.И., Бродягин Г.Н. Приставка для заправки роликов шовных машин. "Сварочное производство", 1962, №10.

65. Скакун Г.Ф., Чакалев A.A. Вопросы взаимодействия металлов в контакте электрод-деталь и пути повышения надежности сварных соединений. Сб. "Технология и автоматизация процессов сварки и пайки". М., Машиностроение, 1969.

66. Скакун Г.Ф., Чакалев A.A., Зюкин В.Н. Некоторые особенности контроля качества контактной сварки с использованием материала свидетеля. "Сварочное производство", 1967, № 1.

67. Слиозберг С.К., Чулошников П.Л. Электроды для контактной сварки. Л., Машиностроение, 1972. 96 с.

68. Смирнов А.Г. Специализированный станок для заточки сварочных электродов и роликов. Тема 4, ВИНИТИ, 1960.

69. Способ и устройство для точечной сварки оцинкованных листов. Като Масахиро, Хорикава Энса, Куметени Дзиро; К.к. дэн-гэнся сэйсакусе. Заявка 58-196184, Япония. Заявл. 13.05.82, №5779245, опубл. 15.11.83. МКИ В23 К 11/24.

70. Способ изготовления топливного бака автомобиля. Патент РФ № 2144452, МКИ В 23 К 11/06// В 23 К 101:12, В 60 К 15/03 / А.К. Тихонов, А.Н. Чернышев, С.В. Шаповалов Опубл. 20.01.2000.

71. Способ контактной сварки оцинкованных стальных листов.: Заявка 631 19988 Япония, МКИ4 В 23 К 11/16 / Софуэ Сунао, Ватанабэ Субэити ; К.к. Тоета дзидо секи сэйсакусе. №61-265810;149

72. Заявл. 07.1 1.86; Опубл. 24.05.88 // Кокай токке кохо,'Сер. 2(2). -1988, 31, с. 503-51 1.

73. Способ сварки оцинкованных листов. Method for spot welding galvanized sheet metal. Minden Milton; The Hinden Trust. Пат. 4327272 США. Заявл. 14.03.79, № 20443, опубл. 27.04.82. МКИ В 23 К 11/16.

74. Теоретические основы сварки/ Под ред. В.В. Фролова. М., Высшая школа, 1970. 592 с.

75. Технология и оборудование контактной сварки/ Под ред. Б.Д. Орлова. М., Машиностроение, 1986. 352 с.

76. Токсси С., Ясуо Т. Контактная точечная сварка листовой стали с покрытием. Отд. вып. "Сварка", 1984 г. 5.63.426.

77. Точечная сварка стальных оцинкованных листов. Охара Хироси; Охара киндзоку коге к.к. Заявка 57-17390 Япония. Заявл. 04.07.80, № 55-90573, опубл. 29.01.82. МКИ В 23 К 11/16.

78. Устройство для точечной сварки оцинкованных листов. Apparatus for spot welding galvanized sheet metal. Hinden Milton; The Hinden Trust. Пат. 4385222 США. Заявл. 11.02.81, № 233567, опубл. 24.05.83. МКИ В 23 К 11/16, НКИ 219/86.25

79. Хилл Г1. Наука и искусство проектирования. Методы" проектирования, научное обоснование решений. ( Hill P., The Science of Engineering Design ).- M.: Мир. ( Нью-Йорк, 1970, перевод с английского, 22 л. ).

80. Чакалев A.A. Контактная сварка сталей с защитными покрытиями. Сер. "Сварка", т.21.

81. Чулошников Г1.JI. Точечная и роликовая электросварка легированных сталей и сплавов. М., Машиностроение, 1974. 232с.

82. Чулошников П.Л., Верденский В.Б. Некоторые работы по управлению и контролю точечной и роликовой сварки. "Автоматическая сварка", 1963, № 5.

83. Шаповалов C.B., Цепенев P.A. Повышение стойкости электродов при контактной точечной сварке. Тезисы докладов Студенческой научно-технической конференции. Тольятти, 1993.

84. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. М.: Мир, 1972. 384 с.

85. Шовная контактная сварка тонколистовой горячеалюми-нированной стали. Widerstandsrollennahtsch weißen feueraluminierter Feinbleche. Adam Frings, Horst Lohbrandt. Thyssen Tech-nischa Berichte, 1987, Heft 1, 81-87.

86. Электрод для (контактной) точечной сварки. Elektrode de soudage par points: Заявка 2670700 Франция, МКИ5 В 23 К 11/30 / Bollinger Etienne, Gobez Paskal, Nowak Jean-Francois, Sanz Germain; SOLLAC. № 9016154; Заявл. 21.12.90; Опубл. 26.06.92.

87. Электродная проволока для шовной контактной сварки. Патент РФ № 2119417, МКИ В 23 К 35/06, 1 1/06 / А.Н. Чернышев, C.B. Шаповалов, А.К. Тихонов Опубл. 27.09.98.

88. Электродная проволока к установке для контактной роликовой сварки. Патент № PS 3722931 ФРГ, МКИ4 В 23 К 35/02, 1 1/06, 1 1/08. Опубл. 03.03.88.151