СОЕДИНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ В ТВЕРДОЙ ФАЗЕ
СВАРКА СО СРЕДНЕИНТЕНСИВНЫМ СИЛОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ
К способам сварки со среднеинтенсивным силовым воздействием условно можно отнести электроконтактный способ получения металлопокрытий [152—155 J. Он используется для восстановления изношенных и изготовления биметаллических деталей.
Отличительной особенностью этого способа является то, что образование металлопокрытия и соединение его с основой осуществляется без расплавления металлов, т. е. в твердой фазе. Это обеспечивает новому процессу ряд преимуществ, основными из которых являются меньшая энергоемкость, большая производительность, возможность нанесения различных металлов и сплавов на детали из стали, чу гуна, цветных металлов и сплавов на их основе без су щественного смешивания основного и наносимого
|
Рис. 63. Схема электроконтактного способа получения металлопокрытия: / — приборный блок; 2 — трансформатор; 3 — основная деталь: 4 — металлопокры тне; 5 — присадочная проволока; 6 - ролик; 7 — амортизатор |
металлов, незначительные отличия в химическом составе присадочного металла и металлопокрытия, благоприятные санитарно-производствен ные условия работы сварщика.
Схема процесса показана на рис. 63. Основными технологическими параметрами процесса, определяющими формирование металлопокрытия и прочность соединения его с основой, являются величина тока /, длительность импульса І, величина усилия сжатия Р. Нагрев присадочной проволоки и поверхно-
|
Рис. 64. Лабораторная установка для исследования электроконтактного способа получения металлопокрытия |
сти детали осуществляется, как при контактной сварке, импульсом тока, подводимого к присадочной проволоке с помощью ролика из токопроводящего материала, нагруженного определенной силой. Формирование металлопокрытия и соединение его с основой при этом осуществляется в результате пластической деформации главным образом присадочной проволоки при высокой температуре. Естественно, что соединение метал топрокрытия с основой, равнопрочное основному материалу, может быть получено при различных сочетаниях технологических параметров 1, t, Р. Однако неизвестно, как от указанных технологических параметров зависят температура нагрева, величина и скорость пластической Деформации присадочной проволоки, т. е. факторы, совокупность которых определяет кинетику процесса формирования соедине - ни! металлопокрытия с основой.
Экспериментальные исследования выполняли на установке, общий вид которой показан на рис. 64. В качестве образцов использовали валы из стали 45 диаметром 50 мм, на которые наносили металлопокрытие, используя присадочную проволоку НП-40 диаметром 2,0 мм.
При исследовании прочности соединения металлопокрытия с основой переменными параметрами процесса были величина тока,
■'лительность импульса и величина усилия сжатия.
Величина тока регистрировалась осциллографом Н-700 с помощью стандартного торроидального индуктивного датчика. Тарировка кривой тока производилась путем прямого измерения амплитудного значения тока в импульсе с помощью электронного амперметра АСУ-1М.
Длительность импульса тока регулировалась с помощью прерывателя тока ПИШ-50М и контролировалась отметчиком времени осциллографа при записи тока.
Величина усилия сжатия на ролик задавалась механизмом нагружения головки и контролировалась динамометром ДНС-2 с индикатором часового типа.
При исследовании электроконтактного способа образования металлопокрытий регистрировались также величина и скорость деформации присадочной проволоки. Указанные параметры регистрировались в виде осциллограмм, для чего использовался комплект виброизмерительной аппаратуры ВИ6-М и датчики виброперемещений ДВ-1. Кривая деформации записывалась синхронно во времени с кривой тока и содержала информацию о величине и скорости деформации в любой период импульса тока и о толщине единичной площадки металлопокрытия.
Прочность соединения единичной площадки металлопокрытия с основой определялась путем сдвига ее — как отношение усилия сдвига к площади сдвига.
Зависимость деформации (осадки) присадочной проволоки от длительности импульса тока при различных значениях величины тока и усилия сжатия показана на рис. 65.
На рис. 66 показана зависимость площади контакта между основой и присадочной проволокой (за счет деформации последней) от длительности импульса тока при различных его значениях и различных усилиях сжатия. Площадь контакта представлена в относительных единицах и является отношением площади контакта при каких-либо текущих значениях I, Р, t к максимальной площади контакта, полученной при I 16,9 кА, Р = 75 кгс и t = 0,04 с.
Для определения вида зависимости между величиной деформации и площадью контакта рассмотрим плоскую задачу деформирования проволоки, причем для простоты анализа будем считать полусферу сечения проволоки равнобедренным треугольником высоты h (рис. 67). Разобьем этот треугольник на k слоев равной высоты х и заменим каждый слой равновеликим прямоугольником той же высоты. Легко получить значения ширины 1Х оснований таких треугольников:
/х = * tg a, l2 = Зх tg а, /3 = Ъх tg а, . . .,
где а — половина угла при вершине исходного треугольника.
Будем рассматривать деформацию по шагам. На первом шаге верхний прямоугольник Пх ширины 1Х и высоты х деформируется в равновеликий ему прямоугольник П{ ширины /2 и вы-
|
Рис. 65. Зависимость деформации присадочной проволоки (осадки) от длительности импульса и величины тока: а — усилие и а роли к 75 кгс; б — 100; в — 150 |
|
Длительность импульса; с |
|
145 |
^ Э. С. Каракозов
|
Рис. 6G. Зависимость площади контакта от длительности импульса н воли чины тока: а ~ усилие на ролнк 75 кгс; б — 100; в — 150 |
|
Длительность итпульса, с |
|
СОТЫ уV Ясно, что уг х/3. Деформацию б! на первом шаге определим v — у, 2 п так: г і - -3 Далее прямоугольник Л! складывается с прямо угольником /73 той же ширины что и П[, а высоты д*. Таким образом, получается прямоугольник П’> = - //і + П'> ширины /і и высотой 4 Д| з А'. На втором шаге прямоугольник П деформируется в прямоугольник /7-J ширины /.І И ВЫСОТЫ £у>. Легко видеть, что у-. ^ ~ -, а деформация _ 2 “ .V, 5 ■ ВЫСОТЫ £/2 |
|
определяется как с., ник П-2 ширины к и высоты £/2 с прямоугольником П3 той же ширины и высоты х, получаем прямоугольник 77j = 9 = Я2 + /7з ширины ls и высоты Хо — у х. Далее на третьем шаге деформируется прямоугольник Я3 и т. д. Тем самым иолу- 2 2 2 чим набор значений деформаций ех = у, е2 =е3 - у, • • - Деформация продолжается /г — 1 шагов, когда прямоугольник ///. і деформируется в прямоугольник n'k^l ширины к и высоты ук_х, который затем складывается с прямоугольником Пк той же ширины 1к и высоты х, т. е. последним прямоугольником тї^х будет прямоугольник Il'k = /7fe_l Ф Ilk с ВЫСОТОЙ Хк = 2^Т_Т ’ которая - Д/2/г, если число слоев неограниченно увеличивается. _ к — к к 1-2 І9. |
|
Складывая прямоутоль- |
|
Фз |
|
Фз |
|
Рис. 67 Плоская '’хема деформирования |
|
Просуммировав эти равенства до какою-то номера і, получим |
|
‘I (0 = її Фу = Ї в/ = с ('). 1=1 |
|
текущий индекс, который может принимать значения 1,2,..., п. Ясно, что ф (/) — это накопленная относительная ширина, а є (у) — накопленная деформация, т. е. непрерывным аналогом этих величин являются соответственно площадь контакта и величина деформации. Итак, рассмотренный подход приводит к равенству К (/) = е (0. (164) а следовательно, /(0 - с(/). (165) |
|
где £ |
|
Введем теперь величины I __ I____________________________ *2 —-, . . Очевидно, что (| х — ех; |
|
Ф-: |
|
<1 1 = |
|
к |
|
є>; ф3 = |
|
1=1 |
|
Рис. 68. Микроструктура зоны соединения, полученного при токе 14,5 кА, длительности импульса 0,02 с и усилии иа ролик 100 кгс: 1 — основной металл — сталь 45; 2 — металлопокрытие из проволоки НП-40 |
Сопоставление данных рис. 65 и 66 показывает, что равенство
(164) выполняется.
Данные металлографических исследований (рис. 68) показывают, что общих зерен или каких-либо новых фаз в зоне соединения не образуется, а сама зона соединения представляет собой ориентированною в плоскости контакта границу. Это позволяет считать, что при исследуемом способе получения металлопокрытий объемное взаимодействие в зоне соединения ограничивается образованием межатомных связей. В таком случае прочность соединения металлопокрытия с основой будет определяться той частью атомов контактных поверхностей, которые при конкретных значениях /, Р и t вступили в физический контакт и образовали связи. Для данного случая уравнение (105) может быть выражено в виде:
-§■ = &((). (166)
где т — прочность соединения на сдвиг в относительных единицах представляет собой отношение прочности при каких - либо значениях /, Р и t к максимальной прочности.
Из уравнений (165) и (166) следует, что скорость образования контакта определяется интенсивностью пластической деформации, а скорость активации контактных поверхностей зависит от интенсивности пластической деформации и площади активного центра.
При сварке в твердой фазе возможны случаи, когда FK > т и
FK = т. Это зависит прежде всего от физико-химического состояния контактных поверхностей, количественной характеристикой которого и является величина U. Величина V при неизменном значении Q полностью определяет площадь активного центра. С точки зрения технологии сварки в твердой фазе наиболее благоприятный сличай, когда F — т. Это означает, что в состояние физического контакта вступают атомы, энергетически подготовленные к образованию химических связей.
Сделаем оценки значений 5, которые должны быть для того,
чтобы выполнялось равенство FK = т. Для этого приравняем правые части уравнений (165) и (166) и учтем выражение (96) для Я,. При этом получим:
S = L0b, (167)
где L0 = р 1/2, причем (і для значительных деформаций найдем, основываясь на «модели с переменным числом барьеров» А. Зегера, по уравнению [77]:
где в* составляет несколько процентов;
I = 3 • КГ4 см.
Оценки по уравнению (168) показывают: при є = 30%, величина р = 1010 см-2, а следовательно, L = НГ5 см.
Принимая b = 3-Ю-8 см, a L0 = 10~5 см, из уравнения (167) получим S = 3-Ю'13 см2.
Максимальная площадь активного центра (т. е. когда U очень мал) определяется обрезанием полей упругих искажений соседних дислокаций. Поэтому максимальный радиус активного центра Г = 0,5Lo.
Поскольку поле упругих искажений вокруг дислокаций имеет круговую симметрию, постольку можно считать, что 5 = л г2. Тогда, как и ранее, принимая Ь0 = 1СГ5 см, получим г 5 ■ 10~® см и S = 8-Ю'11 см2.
Такие значения 5 справедливы, по-видимому, для случая, когда сварка в твердой фазе осуществляется в условиях вакуума (см. табл. 15—17). Если соединение осуществляется на воздухе, то активный центр ограничен областью вокруг ядра дислокации ввиду того, что потенциальный энергетический барьер U очень большой (поверхность покрыта слоем окисла). По данным работы 135], такой очаг взаимодействия составляет порядка 155 (здесь
b—модуль вектора Бюргерса). Принимая, как и ранее, 5 =
3-Ю-8 см, получим г — 4,5-КГ7 см и S = 1,5- 10_1э см2. Поскольку это значение близко к значению S, найденному из
Условия FK = т, постольку можно (помня, что є = FK) записать
e = FKJ=»T, (169)
а следовательно:
e=^F^r. (170)
Равенство (170) справедливо в предположении, что релаксация напряжения в очаге деформации успевает произойти за дли
тельность активации і. л (деформации) контактных поверхностей, т. е. напряжения не разрушают образующиеся связи. Иными словами, равенство (170) справедливо при условии 1Л > /р, где время релаксации напряжения в очаге деформации, зависящее для конкретного материала от его релаксационных свойств и температуры в процессе осадки.
Проверим, подтверждает ли равенство (170) данные экспериментальных наблюдений. На рис. 69 показаны зависимости прочности при сдвиге т от длительности импульса при различных значениях Р и I. Сопоставление данных рис. 65, 66 и 69 показывает, что существует такая область значений /, Р и /, в которой равенство (170) с достаточной степенью точности выполняется. Заметим, что наилучшим образом оно выполняется при малых давлениях и больших токах. И, наоборот, при больших давлениях и малых токах, несмотря на то, что деформация проволоки произошла, сварное соединение или вообще не образуется (при малых длительностях импульса тока), или обладает низкой прочностью (при больших длительностях импульса тока). Эти результаты экспериментальных исследований можно объяснить следующим образом. Давление на присадочную проволоку до момента прохождения импульса тока и в процессе его прохождения определяет величину контактного электросопротивления, а величина тока импульса (при неизменном контактном электросопротивлении) количество выделяемой теплоты. Малое давление и большой ток импульса обеспечивают выделение большого количества теплоты. Поскольку скорость релаксации напряжений в очаге деформации для конкретного материала зависит главным образом от температуры, постольку при малом давлении и большой силе тока обеспечиваются наилучшие условия для релаксации напряжений, т. е выполняется условие ta > tp. При большом давлении и малой силе тока наблюдается обратная картина и релаксация напряжения в очаге деформации не успевает произойти. Заметим, чго при Р = 150 кге, / = 9,42 кА и t =- 0,015 с соединение вообще не образуется. Но по мере того, как увеличивается длительность импульса тока (а значит, увеличивается время, в течение которого может происходить релаксация напряжения) развивается процесс образования соединения, имеющего, однако, прочность ниже той, которая предсказывается равенством (170).
Выполненный анализ позволяет сделать важные для технологии выводы. При используемом способе получения металлопокрытия интенсивность пластической деформации проволоки определяется технологическими параметрами процесса, к которым относятся /, Р и / (а эти параметры косвенно определяют температуру разогрева материала), и свойствами материала проволоки, главным из которых является сопротивляемость пластической деформации. Из работ по ползучести (когда температура и давление постоянны) известно, что по мере увеличения времени скорость пластической деформации уменьшается (для неустановив - 150
шейся ползучести). Обусловлено это тем, что по мере развития деформации в материале развивается деформационное упрочнение. Поэтому интенсивность накопления деформации уменьшается. При рассматриваемом способе получения металлопокрытия интенсивность пластической деформации уменьшается также ввиду того, что контактное давление по мере деформации проволоки уменьшается. Поэтому процесс необходимо строить так, чтобы интенсивность деформирования проволоки была постоянна. Значения интенсивности деформирования целесообразно выбирать, ставя задачу получения максимальной прочности (т — 1) за длительность импульса тока t. При этом величина т в уравнении (166) станет равной Г1 и с учетом выражения для X можно записать уравнение
откуда следует, что et 1.
Поскольку скорость релаксации напряжений в очаге деформации зависит от релаксационной стойкости материала и температуры, постольку существует такое значение тока импульса, выше которого (для конкретного сочетания параметров є и t) релаксация напряжений в очаге деформации будет успевать происходить в течение длительности импульса t. Тем самым процесс получения качественного соединения металлопокрытия с основой при некотором значении тока и выше становится малочувствительным к возможным его отклонениям, т. е. более технологичным.
