автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.05, диссертация на тему:Технология контактной стыковой сварки сопротивлением высокоуглеродистых и легированных проволок

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЦЕЛЬ РАБОТЫ.II

1.1. Традиционно применяемые способы сварки проволоки.II

1.2. Новые технологические процессы контактной стыковой сварки сопротивлением.

1.3. Влияние волочения и промежуточных термообработок на свойства сварных соединений.

1.4. Цель исследования.

Выводы по -первой главе.

ШАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАДИЦИОННОЙ КОНТАКТНОЙ

СТЫКОВОЙ СВАРКИ СОПРОТИВЛЕНИЕМ.

2.1. Методика исследований.

2.2. Влияние технологических параметров сварки на живучесть сварного соединения.

2.3. Влияние холодаого волочения на механические свойства сварных соединений проволоки.

2.4. Влияние промежуточной термообработки на свойства сварных соединений проволоки.

Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН СНИШЖЯ ЖИВУЧЕСТИ

СВАРНЫЗ СОЕДИНЕНИИ.

3.2. Влияние термического и деформационного циклов.

3.2. Исследование сварных соединений проволоки методом акустической эмиссии

3.3. Металлографические и трактографические исследования сварных соединений проволоки.'.

3.4. Природа образования микротрещин в сварных соединениях проволоки.

3.5. Условия бездефектного сварного соединения.

Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ И ПОСЛЗЭДЩШ ТЕРМИЧЕСКОМ ОБРАБОТКИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИИ ПРОВОЛОКИ ИЗ ОГРАНИЧЕННО СВАРИВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ.

4.1. Разработка технологии сварки сопротивлением с формированием соединения при неизменной инерционности свариваемых изделий.

4.2. Разработка способа сварки сопротивлением с формированием соединения при изменяющейся в процессе сварки инерционности подвижного зажима машины.

4.3. Нашна для контактной стыковой сварки сопротивлением с изменяющейся инерционностью подвижного зажима.

4.4. Исследование влияния технологических параметров сварки с формированием на качество соединений.

4.5. Разработка циклов термической обработки сварных соединений проволоки.

4.6. Исследование свойств сварных соединений проволоки, выполненных способом сварки с (формированием соединения.

Выводы по четвертой главе.

Настоящая работа посвящена разработке технологии сварки и последующей термообработки проволоки диаметром 6-8 мм из углеродистых и легированных сталей.

Актуальность теш исследования определяется широким использованием контактной стыковой сварки в метизном производстве для осуществления непрерывности процесса производства стальной проволоки и канатов. При этом, наряду с необходимостью повышения производительности труда, остро стоит задача обеспечения в зоне сварки свойств, аналогичных свойствам основного металла. Это становится еще более актуальным в связи с развитием изготовления длинномерных канатов для сверхглубоких шахт. Кроме того, в общем объеме производства стальной проволоки с каждым годом увеличивается доля высокопрочной проволоки и в настоящее время составляет около 20% от общего выпуска /46/.

По данным заводов ВПО "Союзметиз" количество разрушений мест сварки в процессе холодного волочения проволоки из углеродистых марок стали на готовый размер до 3 мм составляет в среднем 0,5 обрыва на одной тонне, а при волочении проволоки из легированных марок стали - 1,5 обрыва на тонне (см.приложение I).

Расчеты показывают, что за время, которое тратится на устранение обрывов в масштабе страны на существующем волочильном оборудовании можно было бы произвести дополнительно столько проволоки, сколько выпускает ее один сталепроволочный завод. Значит сокращение обрывности проволоки в процессе ее изготовления является существенным фактором интенсификации сталепроволочного производства. Другим следствием улучшения качества сварных соединений проволоки является повышение качества готовых сталепроволочный изделий.

На заводах ВПО "Союзмезшз" эксплуатируется в настоящее время свыше 12 тыс.серийновыпускаемых простых стык ос варочных машин, которые осуществляют соединений по способу, разработанному уже 100 лет назад. За год на заводах отрасли необходимо выполнить около 50 миллионов сварных соединений проволоки. Большая часть их остается в готовых изделиях (несущие канаты, грузолюдские канаты, канаты для лесной промышленности, морского и речного флота, Байтовые канаты, клапанные пружины, подшипники, строительная арматура и т.д.). Не единичны случаи выхода из строя канатов и пружин в процессе их эксплуатации по причине низких эксплуатационных характеристик проволоки в местах сварных соединений. Непрерывное возрастание мощности и интенсивности работы подъемно-транспортного оборудования, переход к разработке полезных ископаемых на больших глубинах усложняет условия эксплуатации канатов. Проволочные изделия, часто работающие в условиях циклических, ударных нагрузок, долины обладать высокими прочностными и пластическими свойствами. Очевидно, что сварные соединения не должны ухудшать служебные характеристики метизных изделий. В связи с этим перед наш была поставлена задача существенного повышения качества сварных соединений путем разработки технологии сварки и после,дующей термической обработки сварных соединений проволоки из углеродистых и легированных сталей применительно к последующему холодному волочению.

В связи с этим перед нами была поставлена задача:"Обеспечить в месте сварки механические свойства проволоки, близкие основному металлу".

Настоящая работа заключалась в исследовании технологических возможностей традиционной контактной стыковой сварки сопротивлением, изучении причин ухудшения механических свойств проволоки в местах сварки, разработке теоретических предпосылок получения бездефектного сварного соединения, разработке и внедрении в производство технологии сварки и последующей обработки сварных соединений проволоки применительно к холодному волочению. Большая часть экспериментальных .данных получена с помощью специально подготовленных стыкосварочных машин Д8Т- В, 1.1С-Ь02, а так же разработанных в ИЗО им.2.0.Патона машин типа К-648, К-766. Л процессе исследования причин снижения механических свойств проволоки в местах сварных соединении был использован метод акустической эмиссии (АЭ). Пщроко использовались методы оптической и электронной микроскопии, а также фрактографический анализ из,ломов ударных образцов на растровом электронном микроскопе (РЭГ:) типа ЗБМ-35С?.

Установлено, что при свободном деформировании объемов металла, характерном для традиционной сварки сопротивлением, непосредственно в стыке и прилегающих к нему зонах (ближе к поверхности) образуются горячие межзеренпые мнкротрещины.

Обоснована и показана возможность получения сварных соединений проволоки без микротрещн, путем полного выдавливания в грат всей установочной длины свариваемых изделий в условиях трехосного неравномерного сжатия, при температурах в зоне токоподвода не выше эквикогезивпых.

Экспериментальны,: путем доказана целесообразность повышения градиента температурного поля в зоне сварки посредством увеличения напряжения холостого хода трансформатора, снижения сопротивления короткого замыкания и массы подвижных частей сварочной" машины.

Обоснованы предложенные циклы термической обработки соединений, сокращающие время формирования структуры, пригодной для холодного волочения. диссертации защищаются следующие положения:

- при свободном деформировании объемов металла в условиях традиционной контактной стыковой сварки сопротивлением происходит образование горячих межзеренных микротрещин, снижающих живучесть сварных соединений при холодном волочении и последующей эксплуатации;

- полное выдавливание в грат всей установочной даны свариваемых изделий при трехосном неравномерном сжатии и температурах в зоне токоподвода не выше эквикогезивных - условие, при котором исключается образование горячих микротрещин в процессе контактной стыковой сварки сопротивлением;

- интенсификация процесса нагрева и локализация его вблизи стыка может быть достигнута путем повышения напряжения холостого хода трансформатора, снижения сопротивления короткого замыкания и уменьшения массы подвижных частей машины в начальной стадии сварки;

- переохлаждение аустенита металла сварного соединения на 150-170°С низке его минимальной устойчивости и последующий быстрый нагрев до этой температуры сокращают время формирования структуры, пригодной для холодного волочения.

Разработанные новые циклы сварки и последующей термической обработки позволяют практически исключить обрывность из-за разрушений мест сварки в процессе холодного волочения проволоки.

Работа состоит из четырех глав.

Б первой главе приводится критический обзор литературных данных по технологии стыковой сварки и последующей обработки сварных соединений применительно к условиям холодного волочения. Отмечается противоречивость в рекомендациях выбора технологических параметров сварки, малое количество публикаций по вопросу технологии сварки и последующей обработки сварных соединений. Кроме того, отмечается отсутствие систематического исследования технологических возможностей стыковой сварки сопротивлением проволоки. Сформулирована цель и определены задачи исследований.

Во второй главе описаны исследования механических и эксплуатационных свойств сварных соединений проволоки из различных марок стали в зависимости от технологических параметров сварки и последующей обработки сварных соединений.

В начале третьей главы приводится методика исследований методом акустической эмиссии (АЭ), описывается установка, с помощью которой проводился эксперимент. Делаются вывода о причинах снижения механических свойств сварных соединений проволоки, рассмотренных сталей.

В подтверждение результатов исследований методом АЭ приведены результаты металлографических и фрактографических исследований.

В конце главы изложены положения гипотезы, объясняющей причины образования микротрещин при традиционной контактной сварке сопротивлением, а также приведены теоретические предпосылки повышения механических свойств сварных соединений проволоки.

Четвертая глава посвящена разработке способа сварки, оптимальной технологии сварки и термической обработке сварных соединений проволоки применительно к ее последующему холодному волочению. Предложена оригинальная конструкция машины.

В конце этой главы приведены сопоставительные данные по свойствам сварных соединений, выполненных по новой технологии, в сравнении с основным металлом, а также технологические и экономические аспекты изготовления проволоки с использованием новой технологии сварки.

Технология сварки и стыкосварочные машины типов К-648, К-737 К-766, К-802 внедрены на Волгоградском сталепроволочно-канатном заводе (ВСПКЗ) в процессе изготовления канатной и струнобетонной проволоки с общим экономическим эшектоы свыше оОО тыс.рублей в год.

Работа проведена в отделе ¿3 I института электросварки им. Е. О .Пат она АН УССР и на ВОПКЗ.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю работы академику АН У СОР, доктору технических наук .'О.К.Лебедеву и старшему научному сотруднику ИЗО кандидату технических наук Г.П.Сахацкощу за постоянное внимание, полезные советы, критическое, доброжелательное и плодотворное обсуждение результатов работы, Р.г/".Неяроковскому за методическую номо1дь по ооорг.шению результатов работы, В.ч.Грабину за помощь при внполнешш экспериментальной части работы, а так же сотрудникам ОКТБ ИЗО, воплотившим идеи диссертации в конкретное оборудование.

ГЛАЗА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЦЕЛЬ РАБОТЫ

I.I. Традиционно применяемые способы сварки проволоки

Большой интерес представляет развитие сварки в процессе производства стальной проволоки и изделий из нее. Повышение механических свойств сварных соединений проволоки ответственного назначения (канатная, пружинная, струнобетонная, шарикоподшипниковая) -это решение вопроса интенсификации производства, повышения качества продукции. Развитие контактной стыковой сварки обусловлено /52/ ее широкими технологическими возможностями, высокой производительностью, использованием механизации и автоматизации. Опыт применения сварки сопротивлением в процессе производства проволоки свидетельствует о том, что возможности этого технологического процесса далеко не исчерпаны.

Контактная стыковая сварка сопротивлением прошла долгий путь развития. Этот способ сварки был изобретен почти 100 лет назад Томе он ом (США.). Сущность стыковой сварки сопротивлением состоит в следующем: концы свариваемых изделий загадываются в медные зажимные губки, к которым присоединена вторичная обмотка трансформатора. Концы изделий сжимаются с определенным усилием. Вначале контакт между свариваемыми изделиями имеет большое сопротивление, так как они соприкасаются друг с другом в торцах лишь небольшой частью общего сечения. При прохождении тока сварки большая часть генерируемого тепла концентрируется в плоскости стыка на концах свариваемых изделий, которые с повышением температуры утрачивают способность сопротивляться приложенному усилию осадки. Площадь физического контакта возрастает, размягченный металл выдавливается из зоны стыка в направлении, перпендикулярном оси изделия (например, проволоки) и при обычных условиях сварки образуется звездообразный грат (рис.1.1)

Т.2

Рис.1.1. Форма грата в сварных соединениях проволоки, полученных стыковой сваркой сопротивлением при различных давлениях осадки. с количеством лепестков тем большим, чем выше давление осадки при заданном напряжении сварки.

Несмотря на увеличение площади физического контакта, температура в стыке остается такой же какой она была на концах соединяемой проволоки /83/. Это объясняется, главным образом, повышением удельного сопротивления металла по мере его разогрева. В процессе выдавливания металла, которое происходит до тех пор, пока, по достижении нужной величины осадки, не выключится сварочный ток, происходит удаление загрязнений и окисных пленок с торцов свариваемых изделий.

Стыковая контактная сварка сопротивлением в изложенном виде будет в дальнейшем нами называться традиционным способом сварки сопротивлением.

В 1903 году впервые была осуществлена стыковая сварка оплавлением, которая получила в дальнейшем очень широкое распространение, особенно при сварке деталей,1' ¡площадью поперечного сечения, исчисляемой сотнями и тысячами квадратных мм. Стыковая контактная сварка оплавлением начинается с включения сварочного трансформатора при разомкнутой сварочной цепи. Затем свариваемые детали медленно сближаются .друг с другом. Возникающие между свариваемыми деталями контакты быстро разогреваются протекающим по ним током и разрушаются. Еидкий металл выбрасывается из зоны сварки. При этом концы свариваемых деталей разогреваются. В заключительной стадии механизм осадки скачкообразно увеличивает скорость относительного перемещения деталей. Оплавление прекращается, разогретый металл под действием приложенной силы деформируется, образуя сварное соединение. В зоне стыка формируется грат.

Несмотря на то, что в процессе производства стальной проволоки и изделий из нее широкое распространение получил только способ стыковой сварки сопротивлением, единого мнения относительно целесообразности выбора способа сварки нет. Да и отечественные стыкосварочше машины, выпускаемые серийно для оснащения сталепро-волочного производства, имеют механизмы осадки, с помощью которых можно осуществлять как сварку сопротивлением, так и сварку оплавлением.

Сравнительные испытания механических свойств сварных соединений проволоки, осуществленных методом конденсаторной сварки, прессовой, контактной стыковой сварки оплавлением и сопротивлением /59/ позволили прийти к выводу о наибольшей предпочтительности использования в сталепроволочно-канатном производстве стыковой сварки сопротивлением. В сравнении с первыми двумя вышеназванными способами .для ее осуществления требуется более простое, менее габаритное и менее дорогое оборудование. При соединении проволоки диаметром 8 мм и менее, в отличие от контактной стыковой сварки оплавлением, сварка сопротивлением позволяет добиваться более стабильного качества стыков. Кроме того, новообразование, сопутствующее сварке оплавлением,при большой плотности расположения технологического оборудования, является фактором, свидетельствующим против ее применения в сталепроволочно-канатном производстве.

Тем не менее, кафедрой сварочного производства Уральского политехнического института им.С.М.Кирова были проведены исследования по контактной стыковой сварке проволоки методами сопротивления и оплавления с целью разработки режимов сварки, обеспечивающих получение качественного соединения. Исследованиям были подвергнуты /II/ сварки проволоки диаметром 6,0 мм из сталей марок У9А, 65ГА, 1Х18И9Т и сплава Х20Н80. Проволока .диаметром 6,0 мм является исходной для волочения, поэтому качество ее сварки оказывает большое влияние на все после,дующие процессы обработки. Авторы провели сравнительные испытания влияния различных параметров режима на механические свойства стыков при сварке сопротивлением и оплавлением. Качество сварных стыков оценивалось на основании результатов механических испытаний, металлографических исследований и технологических испытаний на протяжку.

Основным содержанием работы является вывод о преимуществе сварки методом оплавления проволоки диаметром 6 мм перед сваркой сопротивлением. Однако авторы не приводят данных о стабильности качества сварки проволоки такого .диаметра в процессе производства, т.е.при сварке бунтов проволоки.

Большой тщательностью отличаются исследования /83/, проведенные при сравнении свойств образцов из средае- и высокоуглеродистых проволок, сваренных встык методом сопротивления и оплавления. Две серии образцов сварных соединений проволок из одних и тех же сталей подвергли одинаковой термической обработке. Временное сопротивление разрыву, относительное удлинение, количество перегибов и скручиваний у образцов, сваренных методом сопротивления, выше. Лишь .данные на загиб, показательная способность которых ограничена, у обеих серий примерно одинаковы.

В работе приведены еле,дующие особенности сварки проволоки методом оплавления:

1. Сравнивая геометрические формы грата у образцов, сваренных методом сопротивления и методом оплавления, автор указывает на то, что очищение торцев свариваемых изделий от окислов более полно проходит при сварке сопротивлением, так как при сварке оплавлением образование окислов происходит вплоть до конца процесса оплавления.

2. Желательная для очистки соединяемых сваркой оплавлением деталей большая величина осадки требует »вследствие меньшей зоны разогрева, больших усилий. Однако при превышении определенной величины усилия осадки явно ухудшаются механические свойства соединения.

Следует указать, что автор не распространяет свои выводы за пределы эксперимента. Это означает, что все его утверждения справедливы лишь для проволоки с диаметром того же порядка, что и .диаметр проволоки, взятой для исследования (6,00-7,50 мм).

В более поздней работе /91/ было показано, что при сварке проволоки из углеродистых сталей, как методом сопротивления, так и методом оплавления, прочность соединений достаточно высока и составляет около 80$ прочности основного металла, что, вероятно, может тлеть место только при сварке неупрочненного или слабо упрочненного металла, однако, сварка оплавлением дает положительные результаты только при соединении проволоки .диаметром больше, чем 8,0 мм.

Тагам образом, большинство исследователей сходится во мнении, что .для сварки проволоки наиболее технологичной и обеспечивающей наилучшие свойства сварных соединений является стыковая контактная сварка сопротивлением.

Уже в ранних работах 1937-1940 г.г. /28, 29/ для оптимизации выбора технологических параметров сварки и получения в сварном стыке наилучшего сочетания механических свойств была установлена взаимная связь технологических параметров контактной стыковой сварки.

Уравнение для сварочного тока имеет вид:

З-Л/ Тк.уЯ V где: Тк - температура торцов стержней в стыке,

А - коэохоициент, учитывающий физические характеристики металла (теплоемкость, теплопроводность и плотность), 2 с^ - сечение стершей, см ,

Як - сопротивление холода ого контакта, Ом, - время сварки, сек.

Зто уравнение устанавливает связь медцу основными параметрами процесса сварки: сварочным током, площадью контакта, температурой, физическими свойствами металла, сопротивлением холодаого контакта при данном давлении Р и временем прохождения сварочного тока. Уравнение позволяет заранее установить параметры процесса сварки с точностью первого приближения.

Как справедливо отметил автор, скорость повышения температуры в сварочном контакте при одинаковых условиях процесса сварки (род металла, сечение стершей, состояние контакта, величина приложенного давления и т.д.) зависит главным образом от силы тока. Необходимым условием получения соединения при стыковой контактной сварке сопротивлением он считает плотность тока сварки большую, чем 30-10^ . При меньших плотностях тока сварки может наступить тепловое равновесие, при котором температура в контакте не достигнет значения, необходимого для осуществления сварки.

В работах не исследовался вопрос зависимости качества сварки от плотности тока сварки или от скорости протекания процесса и необходимое условие сварки сопротивлением, которое выдвинул автор

Р А плотность тока сварки равна или больше ЗОЮ воспринимается как достаточное условие для получения наилучшего качества сварного соединения способом стыковой контактной сварки сопротивлением.

Вместе с тем в этих работах приводится мысль о том, что для получения в зоне стыка наиболее высоких механических свойств необходимо осуществлять "нефорсированный" режим сварки с менее ограниченной зоной нагрева. Эта рекомендация не еле,дует из содержания работ /28,29/ и она, очевидно, является следствием содержания других работ этого автора. Менее ограниченная зона нагрева при стыковой сварке сопротивлением по существу означает расширение зоны термического влияния. И, поскольку одним из основных факторов, влияющих на ширину зоны нагрева при сварке, является плотность тока сварки, то из этого следует, что автор является сторонником сварки сопротивлением на пониженных плотностях тока сварки. Следствием же использования пониженных плотностей тока сварки, является расширение временных интервалов, в течение которых сварка происходит.

Однако /83/ именно путем сокращения времени сварки, увеличения плотности тока сварки достигнуто повышение эксплуатационных свойств сварных соединений. В экспериментах с использованием повышенных напряжений холостого хода (4,5 В) достигнуто увеличение числа перегибов на 180° в местах сварных соединений проволоки из стали с содержанием углерода 0,80р. Использование повышенных напряжений привело к существенному снижению времени сварки. Автор, объясняя причину снижения механических свойств сварных соединений проволоки только обезуглероживанием стыка, предлагает технологию контактной стыковой сварки сопротивлением на повышенных напряжениях, исключающую,по его мнению, обезуглероженность соединения. И если цель (исключение обезуглероженности в месте сварки) достигнута автором, то потери механических свойств соединения хотя и уменьшились, но остались значительными. Это свидетельствует о том, что изменение химического состава в зоне соединения является не единственной причиной ухудшения механических свойств (особенно пластических) в местах сварки проволоки.

Причину снижения механических свойств проволоки в зоне сварки и другие исследователи видят в обезуглероженности /77/, но не предлагают каких-либо существенных мер по улучшению качества сварки. Исследования стыковой сварки проволоки из углеродисты?: и легированных сталей /II/ привели к выводу, что с помощью традицпонной контактной стыковой сварки сопротивлением невозможно получить равнопрочное и равпонластичноо соединение проволоки.Обогащенные углеродом участки металла, как утверждают авторы, расплавляются при более низкой температуре. 3 момент осадки они выдавливаются из стыка. Последнее является основной' причиной обезуглероживания стыка и возникновения "белой" нетравящейся полоски. Является бесспорным, что при всех известных способах стыковой контактной сварки в месте сварки есть "белая" полоска, но представляется неубедительным связывать ее наличие с качеством сварки (в особенности с пластическими свойствами соединения). Ведь такая полоска легко может быть получена в проволоке при ее быстром нагреве в медных губка;: до температуры 700-900°С па длине 1-2 мм с последующим быстрым охлаждением в губках. После термообработки "белая" нетравящаяся полоска остается, но потери механических свойств в этом месте нет.

Замечено, что такая полоска всегда появляется на границе раздела металла с высокой и низкой температурой. Причем верхняя температура может быть такой, что выгорание углерода просто невозможно (да еще по всему сечению). Появление нетравящихся участков кроме безусловного изменения химического состава стали в зоне сварки может быть связано с кристаллографическими искажениями.

Не отрицая факта возможного обезуглероживания места сварки проволоки и влияния ее на качество сварных соединений, следует сказать, что такое объяснение причин снижения качества проволоки в местах сварки является недостаточным по двум причинам:

- невозможно объяснить с этой точки зрения имеющие место потери механических свойств в местах сварки проволоки из сплава

12ОНО0, а также нержавеющей стали 03Х18Н9Т ЛМ, в которой содержание углерода измеряется тысячными долями процента;

- невозможно получение равнопрочных и равнопластичных сварных соединений даже при условии отсутствия обезуглероженности металла в стыке, как это тлело место в работе /83/ (особенно это касается числа перегибов на 180°, которое в наибольшей степени из прочих свойств характеризует эксплуатационные свойства проволоки в месте сварки).

Контактная стыковая сварка сопротивлением относится к одному из частных случаев сварки в твердом состоянии, основными параметрами которой являются давление и температура. Их величина, характер воздействия и физико-химические свойства соединяемых материалов всецело определяют /76, 25, 74/ процесс образования соединения и его длительность. Под действием приложенного давления и температуры осуществляется пластическая деформация свариваемых изделий и активация их контактных поверхностей. Первая приводит к созданию тесного контакта мецду соединенными материалам!, вторая - к их взаимодействию. Интенсивность протекания этих процессов зависит от характера изменения физико-химических свойств соединенных материалов при сварке. Необходимая степень пластической деформации материалов достигается при определенной величине приложенного давления и соответствующей температуре. Расчленение всего процесса формирования соединения при сварке в твердом состоянии на отдельные стадии помогает глубже разобраться в сущности процессов, протекающих в каждой из них и решить вопрос об оптимальном сочетании параметров сварки на отдельных стадиях. Авторы считают, что для сварки в твердом состоянии характерно, что чем тверже материал, тем до более высоких температур следует его нагревать при сварке, либо повышать давление с целью получения прочного соединения. Однако, они не дают ответа на вопрос о том, каким будет влияние одновременно меняющихся параметров температуры и давления (если при этом соблюдена определенная скорость деформации) на качество сварного соединения.

Известно /12/, что если температура нагрева металла перед обработкой давлением будет очень высокой (например для углеродистых сталей выше 1250°С), то вследствие большой величины зерен и возможного окисления границ зерен, пластичность металла будет пониженной; при после,дующей деформации могут.появиться микротрещины.

Исследования по влиянию окисных пленок на формирование соединения при сварке металлов давлением приведены в работах /13,26/ В работе /13/ опыты проведены на сталях ст.З и Ш8Н9Т. Было показано, что сварка металлов может быть осуществлена и через окис-ную пленку, однако свойства такого соединения, в особенности его пластичность, значительно ниже, чем при сварке тех же металлов с чистой поверхностью. Влияние окисных включений на механические свойства ссарных соединений подтвердилось так же непосредственным сопоставлением этих свойств с результатам! металлографического анализа. Характерно, что даже при наличии в соединении толстых окисных пленок оно обладает достаточно высокой прочностью и разрушение происходит вне зоны сварки. Установлено, что для образования при сварке металлов давлением соединения с оптимальными свойствами необходимо обеспечить полную очистку стыка при сварке от окислов.

Кроме того, необходимым условием получения качественного соединения при сварке давлением является /35, 68/ образование общих зерен в зоне контакта. В результате исследования развития высокотемпературной пластической деформации при сварке без оплавления раскрыт механизм образования сварного соединения и ведущая роль высокотемпературной пластической деформации в его формировании. Авторы считают, что при высокотемпературной сварке без опдавления, для получения соединения необходимо обеспечить благоприятные условия образования общих зерен на границе раздела двух поверхностей. Если исключить влияние окисных пленок, то формирование соединения будет определяться сближением двух поверхностей для образования истинного контакта мезду ними и возникновением общих зерен.

Учитывая кристаллографическую разориентацию зерен, расположенных на стыкуемых поверхностях,самый идеальный контакт не может обеспечить равнопрочного соединения. Даже если предположить, что с учетом различной кристаллографической ориентации сопрягаемых зерен по плоскости стыка удается обеспечить образование межзерен-ных переходных зон, по своей структуре идентичных обычным границам зерен, то и в этом случае стык будет ослаблен непрерывной цепочкой границ вдоль линии контакта. Образование вдоль плоскости контактирования общих для обеих стыкуемых заготовок зерен по мнению авторов является наиболее важным в процессе формирования соединения. Несмотря на то, что результаты работы получены при диффузионной сварке, вывод о необходимости сокращения времени пластической деформации при сварке с целью исключения чрезмерного роста зерен и получения доброкачественного соединения, важен и для контактной стыковой сварки сопротивлением.

Большинство исследователей, работающих в области контакты011 сварки считает /59, 68, 19, 20, 71, 40, 41/ давление осадки основным технологическим параметром при контактной стыковой сварке сопротивлением. Давление определяет и температуру в зоне сварки. Это объясняется тем, что торцы свариваемых изделий начинают сминаться лишь после того, как их предел текучести, уменьшающийся по мере нагрева, станет равным приложенному давлению. С уменьшением давления осадки при неизменном сварочном токе, деформирование свариваемых изделий наступает позже и при более высоких температурах.

Однако в рекомендациях выбора этого технологического параметра, авторы расходятся. Некоторые исследователи /19/ рекомендуют при стыковой сварке сталей использовать давление осадки 20-30 МПа. В работах /20, 71/ предлагают при сварке стальной проволоки использовать давление осадки 15 МПа при плотности сварочного тока 100 А/мм".

Между тем еще в 1959 году /59/ было установлено, что оптимальное давление осадки при контактной стыковой сварке сопротивлением углеродистой проволоки, подлежащей дальнейшему волочению, должно быть, в зависимости от содержания углерода, равно 1,5-8,0 МПа. Авторы впервые заметили взаимосвязь формы выдавленного грата с качеством сварки - грат, имеющий форму двух-трех тонких литых лепестков, свидетельствует об удовлетворительном качестве сварки. Была показана возможность уменьшения обрывности проволоки при волочении по причине разрушения мест сварки. Авторами поставлен и решен вопрос об оптимизации термической обработки сварных соединений проволоки из углеродистых марок стали, предназначенной для последующего холодного волочения; разработано устройство (ATO), в автоматическом режиме выполняющее сложный цикл термической обработки мест сварки. Вопрос о подготовке структуры сварного соединения углеродистой проволоки к дальнейшему холодному волочению имеет теперь оптимальное принципиальное решение, поскольку цикл термической обработки, предложенной авторами, является разновидностью изотермической закалки, или разновидностью патентирования, широко применяемого в сталепроволочном производстве для подготовки структуры проволоки из углеродистой и некоторых легированных трок стали к волочению. Вместе с тем результаты этой работы следует считать не достаточно полными и не дающими ответа на вопрос об эксплуатационных свойствах сварных соединений проволоки, поскольку свойства сварок после их холодного волочения не исследовались.

В работе /40/ приведены экспериментальные зависимости мецду сопротивлением холодаого контакта и давлением осадки при сварке заготовок малого сечения. Установлено, что наилучшее качество соединения получается, если сварка осуществляется на режимах, обеспечивающих концентрированный нагрев металла стыка до температуры плавления или близкой к ней. Такой нагрев, обеспечивающий более полное удаление окислов из стыка, по мнению автора, возможен при повышенных контактном сопротивлении и плотности сварочного тока.

К аналогичному конечному результату, т.е. расплавлению металла в стыке так средству обеспечения равнопрочности и равнопластич-ности соединения в сравнении с основным металлом, стремятся и другие исследователи.

Например, в работах /41, 34/ показано, что в зависимости от решила стыковой сварки сопротивлением соединения могут быть получены как при пластичном состоянии, так и при расплавлении металла в стыке. При достаточных для сварки токах главным технологическим фактором, определяющим температуру сварки,и, следовательно, состояние металла в стыке,является давление осадки. Сварка с расплавлением металла в стыке, по мнению автора, оказывает решающее влияние на качество соединения потому, что в процессе осадки жидкий металл выдавливается из стыка и уносит находящиеся в нем частицы раздробленной окисной пленки. Кроме того, за счет расплавления металла в стыке улучшается качество металла в зоне сварки и в околошовной зоне. Последнее утверждение противоречит повсе,дневной практике сварки проволоки. Вывод же о том, что механические свойства соединений при таком способе сварки близки к свойствам основного металла, а сварные соединения сталей обладают необходимыми для нолочеmm механическими свойствами, представляется не обоснованным. Да и данные исследований, приведенные в работе, противоречат этому выводу. Так, сварные соединения из сталей IXI8H9T и ст.З выдерживают всего 4 перегиба на 180°, что, как известно, составляет 30-40% от количества перегибов, выдерживаемых несваренпой проволокой из рассмотренных сталей. Такие свойства сварных соединений (в среднем) в процессе производства проволоки с использованием серийно выпускаемого стыкосварочного оборудования квалифицированный оператор-сварщик в настоящее время обеспечивает. 0 потерях производства по этой причине говорилось выше.

Анализ физических процессов, протекающих при сварке различных изделий, а также анализ накопленного экспериментального материала с -точки зрения их подобия позволил /36, 34/ вывести четыре основных критерия подобия процессов сварки сопротивлением: - критерий подобия электрических процессов

П,= JUL (1.2)

Для не периодических токов г1 где уЫ. - магнитная проницаемость; ^ - удельная проводимость; ^ - круговая частота переменного тока', В - линейные размеры проводника; 1 - время ,

- критерий подобия электрических цепей п К (1-4)

I \г— — где - сопротивление сварочного контакта;

2 - сопротивление короткого замыкания сварочной машины. - критерий подобия тепловых процессов.протекающих при сварке сопротивлением

Г|а = С' ^ (1.5) где С - удельная теплоемкость;

Л - удельная теплопроводность;

- критерий подобия деформации

1-6) где Р - давление осадки.

Для случая полного сваривания деталей при стыковой сварке давлением (исчезновение переходаого электрического контактного сопротивления) получено /34/ условие

1-7)

Ыпл где сК - коэффициент (для железа) оС =25, для меди (К = 19);

В - абсолютная температура в плоскости стыка; пл абсолютная температура плавления свариваемого металла; - действующее на контакт давление; бед - сопротивление деформации металла, численно равное тройному пределу текучести металла при данной температуре .

Критерии подобия могут быть использованы для более обоснованного выбора режимов контактной стыковой сварки сопротивлением на основании ранее полученных экспериментальных данных и могут сократить объем экспериментальных работ в процессе исследований. Условие полного сваривания деталей (1.7) рассматривается как условие

97

Чу I исчезновения электрического контакта и не является гарантией бездефектности сварного соединения.

Анализ же известной литературы, касающейся возможности обеспечения в месте сварки проволоки механических свойств, близких основному металлу, путем оптимизации режимов традиционной сварки, показывает противоречивость результатов исследований.

Обращает также на себя внимание факт недостаточного количества опубликованных работ, касающихся технологии стыковой сварки сопротивлением. Б основном работы посвящены разработке конструкций стыкосварочных машин и их узлов.

Предлагаемые новые разработки конструкций стыкосварочных машин /86, 81, 88/ имеют плавную регулировку напряжения сварки и устройство для отжига стыка после термообработки /86, 81/, снабжены устройством, позволяющим вести режим сварки по определенной программе /88/.

В работах /69, 6/ решается важный вопрос конструкции узлов зажатия свариваемых изделий.

Автор работы/ 50/ предлагает способ управления машинами для контактной сварки, а в работе /8/ предложен способ контроля положения, скорости и ускорения подвижной плиты при контактной стыковой сварке.

Не оспаривая полезности этих технических решений, следует отметить, что они, будучи выполненными в рамках традиционной технологии контактной стыковой сварки, не в состоянии существенно улучшить качество сварных соединений проволоки.