Выше было рассмотрено в общем виде влияние нагрева на про­цессы, определяющие образование металлических связей и свар­ного соединения, а также проанализировано воздействие термоме­ханического цикла сварки на свойства получаемого соединения. Экспериментальные данные по сварке железа, стали и некоторых легких сплавов, показывающие влияние главных параметров про­цесса (температуры, давления и связанной с ними степени дефор­мации), а также исходного состояния свариваемого металла и его поверхности на структуруи свойства соединений, позволяют опреде­лить конкретные требования к технологическому процессу сварки давлением (без оплавления).

Начнем с наиболее изученной сварки давлением железа и стали прежде всего в условиях, предупреждающих значительное окисле­ние. Это должно обеспечить оценку роли температуры и давления в физическом процессе образования соединения. Как следует из об­щих закономерностей процесса, с ростом температуры сварка да­влением в условиях ограниченного окисления облегчается. Однако нагрев до чрезмерно высокой температуры может понизить свой­ства соединения из-за ухудшения структуры, разупрочнения ме­талла в зоне термического влияния и т. д.

Для каждого металла, как правило, имеется более или менее уз­кий диапазон оптимальных температур сварки в твердом состоянии, в котором обеспечивается наилучший комплекс свойств соединения [197].

А. Кинзель систематически изучал влияние температуры на структуру и свойства соединений железа и стали с 0,2—0,25% С в условиях ограниченного окисления при сварке встык стержней диаметром 25 мм с нагревом ацетилено-кислородным пламенем с помощью кольцевой горелки [197]. Несмотря на газовую защиту, препятствовавшую образованию окалины, имевшиеся на торцах окислы при недостаточном нагреве сохранялись в стыке и пони­жали его свойства. Применяли два цикла сварки: нагрев до задан­ной температуры при постоянном давлении р — const с пластичес­кой деформацией, скорость которой росла с температурой и с по­стоянной температурой (стержни с незажатыми торцами нагревали до заданной температуры, а затем быстро осаживали при Т — = const). Характер цикла заметно не сказался на результатах сварки.

Влияние температуры на структуру соединения хорошо выяви­лось при сварке железа. Сваривали стержни при р = 5 кГ/мм.2 и Т — 760-е 1050° С. Несмотря на относительно высокое давление, заметная деформация при этих температурах отсутствовала. В сое­динениях, сваренных при 760 и 850° С (рис. 52, с), имелась сплош­ная цепочка окислов. Общих зерен в стыке не было. Рядом с линией

стыка наблюдались мелкие рекристаллизованные зерна, по-види­мому, в результате местной пластической деформации неровностей на торцах. При нагреве до 910° С появились общие зерна; однако цепочка включений в стыке сохранялась. При дальнейшем повы­шении температуры до 980° С, лежащей существенно выше темпера­туры а—»у-превращения в стыке появились общие зерна нормаль­ного размера, но разорванная цепочка включений сохранялась (рис. 52, б). Только при температуре 1050° С стык металлографи­чески не выявлялся; окислы в нем исчезли либо в результате восста­новления углеродом, имеющимся в металле, либо при взаимодей­ствии с газовой средой (см. гл. VIII). Такой же характер структур наблюдали при сварке в аналогичных условиях низкоуглеродистой стали. Механические свойства соединений, сваренных при различ­ных температурах, приведены в табл. 22.

Сварка с образованием в стыке общих зерен уже обеспечивает удовлетворительную прочность соединений, хотя отдельные об - 96

разцы разрушаются по стыку. Влияние структуры и, как след­ствие, температуры сварки резче проявляются при испытаниях на загиб и удар. Высокая пластичность и ударная вязкость (табл. 23) достигались только в образцах (сваренных при 1050° С) с однород­ной микроструктурой стыка без окисных включений.

Более поздние исследования т а б и ц а 2з

[77, 84] показали, что и в соеди - Механические свойства сварных нении без окисных включении соединений стержней высокая пластичность дости - из железа (осадка на 3,1 мм) гается только при образовании

В НЄМ обЩИХ ЗЄрЄН В ПрОЦЄССЄ ре - Температура Угол вязкость

Кристаллизации. В условиях Р, СВва? сИ Загнба ИаШарпиЦаХ

7-процессов рекристаллизации в кгм/смг

способствует пластическая де - ~ А>

формация, продолжающаяся 755 0° 0.7

после достижения физического 880 0° 0,7

контакта между соединяемыми 1060 j80° 25

поверхностями, и, конечно, вы­сокая температура.

В соединении с общей границей зерен (см. рис. 52, а), даже сво­бодном от окислов, происходит хрупкое межзеренное разрушение с низкой пластичностью. Электроннофрактографическая картина излома такого соединения при сварке с защитой низко углеродис­той стали, показана на рис. 52, в. Несмотря на отсутствие окисных включений, в изломе нет участков транскристаллитного разруше­ния с характерным чашевидным строением (см. рис. 113, а). Однако с точки зрения физической природы сварки давлением моментом ее завершения, по-видимому, следует считать образование металли­ческих связей по всей соединяемой поверхности, а процессы «до­зревания» соединения, в частности образования общих зерен, можно рассматривать как послесварочные, поскольку в принципе возможно их выполнение вне связи со сваркой, например при тер­мической обработке.

7 А. С. Гельман

А. Кинзель большое значение при образовании соединений при­давал процессам перекристаллизации [197]. Стержни из стали с 0,25% С сваривали при Аг3, а затем образцы испытывали на растяжение после охлаждения (следующего непосредственно за сваркой) до температуры, лежащей выше или ниже точки у —» а- превращения (для стали с 0,25% С Аг3 ^ 840° С). Для сравнения при этих же температурах испытывали основной металл (табл. 24).

Таблица 24 Режимы сварки и результаты испытания сварных образцов, не прошедших и прошедших после сварки у -> а-превращения, и основного металла [197] Темпера­тура сварки в °С Длительность нагрева в сек Температура испытания в °С Предел прочности в кГ/мм2 Отношение % стыка / ОСНОВНОГО металла % 925 30 900 5 j 7,4 0,68 925 30 810 8,8 10,5 0,83 925 30 770 10,6 12,2 0,86 925 300 880 8,4 8,4 1,00 1070 30 890 7,3 7,0 1,00

Образцы, сваренные при 925° С (с нагревом 30 сек и испытанные при Т > 840° С), т. е. не прошедшие после сварки у —» а-превра - щения показали низкое значение п'/ст" = 0,68. Такие же образцы, но испытанные после у —* a-превращения (при Т == 770 и 810° С), обладали более высокой относительной прочностью (о'в/о" — = 0,83-н0,86). Естественно, что перекристаллизация не влияла на свойства соединений, которые за счет увеличения продолжи­тельности нагрева (до 300 сек при 925° С) или температуры сварки (до 1070° С) приобретали высокую прочность непосредственно при

сварке и были равнопрочны основному металлу — 1 ) уже при температуре испытания (880—890° С), лежащей выше точки Аг3.

Однако по данным работы [197] перекристаллизация не обя­зательна для сварки давлением стали. В частности, была успешно сварена ферритная хромистая сталь, а также сталь с содержанием 4%Si, не имеющие у —* a-превращения. Но для этого потребовался нагрев до очень высокой температуры (Тсв ^ 1250° С). Можно предположить, что повышение температуры при сварке этих сталей было вызвано не столько отсутствием у —» a-превращения, сколько

большой устойчивостью окислов, содержащих много хрома или кремния. Эффективность циклического изменения температуры, сопровождаемого перекристаллизацией, была подтверждена и в ра­боте [100].

Систематические данные по температурной зависимости проч­ности соединений для электролитического железа и нелегирован­ных сталей с различным содержанием углерода имеются в работе X. Эссора [185], изучавшего сварку давлением также в условиях ограниченного окисления. Сваривались стержни в вакууме, полу­ченном с помощью водоструйного насоса, или в азоте (степень ва­куума и чистоты азота неизвестна). Стержни имели коническую фаску, которая после из сварки создавала в образце кольцевой над­рез со стыком в вершине и обеспечивала при растяжении разруше­ние по стыку (хрупкое в случае плохой сварки, пластичное — в случае хорошей). Сварка осуществлялась по циклу: откачка ка­меры, нагрев несжатых стержней до заданной температуры (уголь­ной спиралью) с 15-минутной выдержкой для ее выравнивания, сжатие стержней осевым усилием (при р = 1 - т - 3,5 кГ/мм2), ох­лаждение при неснятом усилии.

Опыты при сварке стержней с полированными торцами (при р = 2 кПми2) из электролитического железа в отожженном и в ис­ходном состояниях, соответственно с крупным и мелким зерном (рис. 53) позволили сделать выводы: а) при Тсв ^ 800° С прочность соединения очень низка (а„ <4—5 кПмм2)-, б) с увеличением Тсв прочность растет, однако, с перегибом вблизи точки Ас3; соедине­ние, сваренное при температуре несколько ниже Ас3 ( в ферритной области), прочнее, чем сваренные при температуре чуть выше Аса, что, вероятно, объясняется повышенным сопротивлением деформа­ции аустенита по сравнению с ферритом вблизи Ас3 (кривая 3 на рис. 33) [55]. В опытах [185] при сварке стали с 0,06% С пе­региб на кривой ов — f (Тсв) вы­ражен не резко, а для стали с 0,32% С он отсутствует. Это, очевидно, связано с расшире­нием температурного интервала с —* у-превращения; в) высокая прочность достигается при тем­пературе, обеспечивающей (как и в работе [197]) образование в стыке общих зерен при отсут­ствии в нем окислов; г) сварка мелкозернистого железа легче, т. е. равнопрочность соединения достигается при более низкой температуре, чем крупнозернис­того.

В связи с этими результатами, а также данными работы [197] возникает два вопроса. Во-первых, является ли Тсв — 900 - ь 950° С нижним температурным пределом, при котором возможно прочное соединение железа и низкоуглеродистой стали. Ряд данных пока­зывает, что это не так. Дж Хем получал равнопрочное соединение железа практически без деформации уже при Тсв = 500° С (см. § 2) на образцах, разорванных в глубоком вакууме и имею­щих, как следствие, атомночистые поверхности [188]. При большой степени деформации, обеспечивающей удаление из стыка окислов, удавалось хорошо сварить сталь при температуре 180° С [190].

В условиях Р, Г-процессов с небольшой деформацией, характер­ной для опытов [185] и [197], не удается при низкой температуре разрушить окисные пленки, что и является основной причиной плохого качества соединений. При сварке низко углеродистой стали в вакууме 5-1СГ6 мм pm. cm. с нагревом в течение времени, доста­точного для восстановления окисных пленок на этой стали (1 ч при 700° С, 16 мин при 800° С, см. § 4. гл. VIII), получили прочные соединения без дефектов (рис. 54) [34].

Во-вторых, требует объяснения положительное влияние мелко­зернистой структуры на свариваемость. Попытка связать это влия­ние с большей вероятностью совпадения кристаллографических плоскостей у соединяемых зерен малого размера неубедительна [185]. По-видимому, любое повышение свободной энергии металла (за счет наклепа, увеличения поверхности границ зерен и т. д.), высвобождаемой при сварочном нагреве, должно увеличивать по­движность атомов — облегчать создание активных центров — и

£.Рис. 54. Микроструктура соединения (нагрев до 700° С, 1 ч, при р=»2,8 кГІмм? в вакууме 5-І 0“в мм pm. cm.): о—сварка ниэкоуглерсдистой стал* в состоянии поставки; б—то же, после предвари­тельного отпуска при 700° С в течение 1 ч в вакууме 5- КГ5 мм pm. cm. (Ж 300) [34 ]

способствовать развитию рекристаллиза­ции, улучшая этим условия сварки.

Для проверки этого положения сварили образцы из стали Сг. 3 (Тсв = 700° С, t =

= 1 ч, р — 2,8 кПим2, вакуум 5-1СГ6 мм pm. cm) в состоянии поставки и после от­пуска в вакууме (700° С, 1ч). В первом слу­чае в результате рекристаллизации линия соединения металлографически не выяв­ляется в то время как во втором она отчет­ливо видна (рис. 54). Из этого, однако, не следует, что предварительный наклеп всегда полезен при сварке давлением. На­пример, стыковая сварка оплавлением труб из стали 12Х2МФБ, наклепанной до кри­тической степени деформации, сопровож­далась в околошовной зоне рекристалли­зацией с таким ростом зерна, который приводил к недопустимому охрупчиванию соединения [40]. Необходимость осуще­ствления сварки давлением с контролируе­мой степенью рекристаллизации подчер­кивается и в работе [77].

С повышением в стали (в опытах [185] нелегированной) содержания углерода и неизменных условиях опыта, т. е. при по­стоянных значениях давления и продол­жительности нагрева, температурный ин­тервал сварки в твердом состоянии умень­шается (рис. 55). Повышение его нижнего предела связано с упрочняющим воздействием углерода на аусте­нит, верхний ж§ предел, естественно ограничивается температурой солидуса. ti

При сварке в твердом состоянии железа и стали соединение с высокой пластичностью возможно только при наличии в нем общих зерен без окисных включений. При быстром нагреве даже в условиях, затрудняющих окисление, такое соединение без зна­чительной пластической деформации осуществимо в сравни­тельно узком температурном интервале 1050—1250° С. При дли­тельном нагреве в вакууме, что не соответствует условиям Р, Т-процессов, соединение высокого качества можно получить, на­гревая его до более низкой температуры (например, для стали Ст. З 700° С).

Для железа и низкоуглеродистой стали температурный интер­вал сварки в твердом состоянии в основном определяется требова­ниями к структуре стыка. При сварке упрочненных сталей этот интервал дополнительно ограничивается условиями сохранения

/ — полирование; 2 — обработка
наждачной бумагой мелкой; 3 — то
же крупной

заданных свойств металла в сварном соединении (включая зону термического влияния сварки).

Роль давления при сварке с ограниченным окислением сводится в основном к выравниванию соединяемых поверхностей и, в изве­стной мере, к интенсификации за счет пластической деформации процессов образования на них активных центров и последующей рекристаллизации в зоне соединения. При неизменной продолжи­тельности нагрева с увеличением давления облегчается получение прочного соединения — снижается необходимая для этого темпе­ратура (рис. 56). Аналогично сказывается в этих условиях и умень­шение степени шероховатости поверхности (рис. 57). Однако при обычном выполнении Р, Т-процессов сварки на воздухе давление должно быть также достаточным для осуществления значительной пластической деформации, необходимой для разрушения и удале­ния из зоны сварки окисных пленок.

С повышением температуры толщина пленок быстро растет (см. рис. 48). Нет систематических данных о зависимости степени дефор­мации, достаточной для удаления окислов, от температуры сварки. Во всяком случае, она с повышением температуры не уменьшается, а скорее растет. Степень такой деформации удобно определять «коэффициентом площади» kM:

где FK — конечная площадь сечения стыка;

FH — исходное сечение свариваемых деталей.

В работе [190] сваривали встык на воздухе прутки диаметром 10 мм из аустенитной и ферритной сталей при температуре 180° С

с торцами, очищенными щеткой непосредственно перед сваркой. Прочное соединение аустенитной стали было получено с knjl zzs 3 (рис. 58). Для ферритной стали это отношение близко к 4.

В. К. Лебедев и др. исследовали прессовую сварку заготовок из конструкционных сталей [97]. Нагретые торцы заготовок перед осадкой окислялись в течение 6—20 сек. Стыки с удовлетворитель­ной структурой и свойствами были получены при температуре 1000—1200° С с пластической деформацией, соответствующей Кл Ss 5,2. Лучшие результаты обеспечивались при радиальном течении металла в плоскости соединения (см. гл. IV). Такая дефор­мация требует резкого повышения удельного давления. Если в опы­тах [185] и 1197] оно ограничивалось для низкоуглеродистой стали величиной 2—3 кГІмм2, то при большой направленной дефор­мации сильно окисленных поверхностей давление возросло до 18—28 кГІмм*. Хорошая сварка практически невозможна при очень большой толщине окалины (окисление нагретых заготовок на воздухе в течение более 20 сек [97]).

Направленная деформация, осуществляемая с принудительным формированием стыка в зажимах, вызывает в стыке значительные трехосные напряжения, как указывают А. И. Шестаков и А. А. Рос - сошинский [159]. При свободном течении металла образуется много дислокаций, в местах сосредоточения которых скапливаются вакан­сии, служащие зародышами трещин. Это может снизить свойства и нарушить сплошность соединения. Когда в условиях принуди­тельного формирования осадка завершается всесторонним сжатием металла в зоне соединения, количество вакансий в нем уменьшается, металл как бы уплотняется и исчезает граница между соединяе­мыми поверхностями. Однако значительная радиальная деформа­ция в результате искривления волокон может вызвать в сталях, обладающих анизотропией свойств вдоль и поперек проката, пониже­ние пластичности и особенно удар­ной вязкости соединения, напри­мер с 12,8 кГм/см2 для основного металла (Ст. 3) до 5,6 кГм/смй для сварного соединения [971.

При сварке давлением предва­рительно упрочненных металлов термомеханический цикл может на­кладывать существенные дополни­тельные ограничения на основные параметры процесса. Это наглядно иллюстрируется на примере свар­ки высокопрочных легких сплавов.

На рис. 59 дана зависимость пре­дела прочности соединения стерж­ней алюминиевого сплава с содер­

ЮЗ

жанием 1,6% Си; 5,6%2п;

2,6 %Mg; 0,3°/oSi; 0,4%Fe и 0,2%Мп от температуры и дли­тельности выдержки (15 сек— 6 мин) [180]. Торцы заготовок очищали непосредственно перед сваркой стальной щеткой, за­крепляли в соответствующих штампах и сжимали небольшим осевым усилием (для уменьше­ния опасности окисления торцов при нагреве); затем концы заго­товок нагревали индуктором или газовой горелкой в течение кон­тролируемого времени до задан­ной температуры и осаживали на требуемую величину. Кон­струкция штампов обеспечивала направленную деформацию в зо­не стыка (рис. 60) при удельном осадки 40—200 кГ/мм2 и соотношении kn. = 2 + 4.

Максимально допустимая (см. рис. 59) температура, не приво­дящая к снижению прочности соединения, лежит ниже темпера­туры - рекристаллизации сплава {Трекр я» 250° С). Равнопрочное соединение может быть получено с нагревом до Т < 220° С в тече­ние 15 сек. В этих опытах, по существу, нижний предел темпе­ратуры сварки не установлен, однако он ограничивается усло­виями деформирования. Для сварки сплава рекомендуют интер­вал температур 200° С ±20° (при tce ^ 30 сек). При меньшем

упрочнении сплава (например, для алюминий-магниевых сплавов с содержанием 3—5%Mg, упрочняемых главным образом за счет легирования твердого раствора) возможно получение равнопроч­ных соединений и с нагревом до температуры, лежащей несколько выше Трекр (табл. 25) [1591.

Таблица 25

Режим прессовой сварки сплавов типа АМг и результаты механических испытаний Сплав Место вырезки образца Режим сварки Механические свойства (средние) т 1 св в °С А>С в кГ/мм1 °в в кГ/мм* Угол загиба АМгЗ Основной металл 21,6 180° Сварное соединение 400—430 —150 21,0 160° АМг5В Основной металл _ _ 28,3 150° Сварное соединение 430-450 —150 28,1 О О <м

Заготовки нагревали в печи с очисткой торцов стальной щеткой непосредственно перед сваркой. Зажимные устройства обеспечи­вали направленную деформацию с объемным сжатием зоны сварки к концу осадки. Удовлетворительньк результаты, как и в работе [180], получили только при kM > 2. Меньший угол загиба свар­ного соединения, чем у основного металла, а также пониженная ударная вязкость соединения (для АМгЗ до 2,5 кГм/сч2) свя­заны с искривлением волокон при существенной анизотропии металла.

Итак, при Р, Г-процессах сварки без оплавления в условиях, допускающих окисления поверхностей во время нагрева, соедине­ния высокого качества, с общими зернами и без окисных включе­ний могут быть получены с нагревом в относительно узком темпе­ратурном интервале, сопровождаемым значительной, по возмож­ности радиально-направленной пластической деформацией, доста­точной для разрушения окисных пленок. Для сталей допустимый температурный интервал равен АТ = 150 - і - 200° С при knJl> 5; для легких сплавов АТ = 40 50° С и kni — 2 - s- 4.

В настоящее время применяется или имеет перспективу внед­рения ряд процессов сварки без оплавлення и специальной защиты от окисления. Это прессовая сварка встыкс печным нагревом сталь­ных заготовок' при бесконечной горячей прокатке, прессовая сварка (с общим или местным нагревом) деталей из легких сплавов, контактная стыковая сварка сопротивлением (проволоки, цепей не­большого калибра), сварка с нагревом токами высокой частоты (в первую очередь труб с продольным швом). Рассмотрение техно­
логических основ этих процессов (особенностей нагрева, деформи­рования и взаимодействия с окружающей средой) должно опреде­лить границы их рационального использования и пути совершен­ствования.