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

F„

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]:

<168>

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.

СОЕДИНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ В ТВЕРДОЙ ФАЗЕ

ИСХОДНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ВЫБОРА СПОСОБА СОЕДИНЕНИЯ В ТВЕРДОЙ ШАЗЕ

Эффективность применения разнообразных способов соединения в твердой фазе определяется правильным выбором одного из спосо­бов при решении конкретной технологической задачи. Важнейшим условием правильного выбора способа сварки является знание физико-химических процессов, протекающих …

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ СВАРКИ ПРОКАТКОЙ

Сварка прокаткой характеризуется малой длительностью процес­са t, относительно высокой температурой Т и принудительным характером деформации свариваемых элементов е. Эти особенности позволяют считать, что при сварке прокаткой (по аналогии со свар­кой …

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ СВАРКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗНИЦЫ В КОЭФФИЦИЕНТАХ ТЕРМИЧЕСКОГО РАСШИРЕНИЯ СОЕДИНЯЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ

При сварке давлением схватывающих соединений существенные трудности возникают в связи с необходимостью создания давления в контакте свариваемых изделий. Для случая соединения мате­риалов, имеющих различные коэффициенты термического рас­ширения (к. т. р.), …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.