3.1. Выбор способа стыковой сварки для типовых соединений

Для каждого предполагаемого сварного соединения опреде­ляется тот вид энергии или комбинация нескольких ее видов, которую решено использовать. Выбор энергии уже предопреде­ляет основные элементы технологии и, в первую очередь, подго­товку деталей к вложению намеченной энергии. Однако важен не просто избранный вид энергии, но и программа ее использо­вания. Вот эта часть технологии определяется, как принято го­ворить, режимами сварки, которые почти полностью и обеспечи­вают формирование сварных соединений.

Всякий раз, когда рассматривается вопрос об изготовлении каких-то изделий посредством сварки, технолог вынужден решать одну из следующих двух задач или даже обе одновременно.

1. Способно ли имеющееся оборудование обеспечить такую технологию сварки, которая обеспечит изготовление готового изделия, полностью удовлетворяющего техническим условиям. В этом случае выбор технологии полностью определяется харак­теристиками и параметрами имеющегося оборудования; творче­ские поиски новых технологических способов оказываются чаще всего весьма стесненными.

2. Для заданного нового изделия необходимо проектировать наиболее рациональную технологию сварки и по оптимальным технологическим режимам закупить готовое или спроектировать новое сварочное оборудование. Проектирование нового оборудо­вания иногда выливается в создание особых специализированных машин или в проектирование каких-то дополнительных устройств, совершенствующих готовые сварочные машины — задача техноло­гически значительно более творческая.

При решении любой из этих двух задач технолог перед «за­казчиком» обязательно ставит целый ряд вопросов. Вот основные из них:

1) конструкция изделия со всеми ее размерами;

2) металл, из которого должно быть изготовлено изделие;

3) условия эксплуатации будущего сварного изделия (нагрузки, среда службы, сроки службы и т. д.);

4) требуемая производительность по выпуску сварного изде­лия;

5) какова должна быть конкурентоспособность изделия, из­готовленного по новой технологии, по сравнению с ранее исполь­зуемой;

6) различного рода дополнительные требования: экологиче­ские, оборонные, престижные и др.

Ответы на эти вопросы позволяют технологу уверенно назна­чать наиболее рациональную технологию для заданного изделия.

О каком бы стыковом соединении ни шла речь, идеальным тре­бованием для него всегда остается желание получить прочность, равную целому металлу. Следовательно, во всех случаях необ­ходимо стремиться к созданию структуры плоскости сваренного контакта, в самой большей степени похожей на межкристаллит - ные границы целого металла. Но это далеко не все. Физическая структура, размеры зерен и химический состав металла вокруг плоскости контакта и в самой плоскости также не должны сильно отличаться от глубинных слоев свариваемых деталей.

Если именно такие требования являются идеальными, то не всякая технология способна этим требованиям удовлетворять. Выше уже неоднократно подчеркивалось, что полный цикл сварки состоит из операций подготовительных и завершающих, свароч­ных. Этот тезис весьма очевиден: можно как угодно идеально 114 подготовить холодные детали, как угодно совершенно их нагреть (или подогреть), и все это идеальное ничего не будет стоить, если завершающая операция механического давления будет про­ведена неправильно и нерационально. Возникает вопрос: спа­сают ли от этой опасности существующие во всех пособиях и ин­струкциях нормативные рекомендации осадочных давлений? Спа­сают. В небольших границах.

Дело здесь вот в чем. Специалисты-электромашиностроители за период своей многолетней практики с высокой степенью со­вершенства отработали электрическую часть контактных машин, поскольку все время считалось, что решающим фактором сварки является только электронагрев деталей. В действительности же, как это и было показано выше, электронагрев является условием необходимым, но еще не достаточным. Условие достаточности оп­ределяет программа приложения механических давлений. Для современных контактных стыковых машин она весьма бедна, примитивна и совершенно не гармонирует с гибкостью электриче­ских систем машин.

Приведенные выше теоретические решения показывают, что табличные рекомендации сил сжатия, или норм давлений без учета скорости действия этих сжимающих сил, совершенно не гарантируют каких-либо надежных показателей прочности свар­ных соединений. Медленно прикладываемые осадочные давления, особенно при сварке деталей больших сечений, недостаточно справ­ляются' даже с подготовительной задачей — удаления из плос­кости контакта оксидных загрязнений. При стыковой сварке оп­лавлением деталей больших сечений весьма часто оказывается, что электрическая часть машины способна создать достаточный нагрев. Однако механическая система мала по своей мощности и осуществляет сжатие совершенно недостаточное.

Во всех существующих книгах предписываются рациональные нормы осадочных давлений. Однако ни одна из существующих сты­ковых машин не снабжается измерителем давления. Таким обра­зом, технолог достаточность сжимающих сил определяет по струк­турам готовых сваренных образцов, а не по измерительным при­борам. В этой книге хочется избежать нормативных рекоменда­ций по силам осадки. Энергетическое равенство (2.47) дополним некоторыми слагаемыми:

Обратим внимание на то, что согласно четвертому слагаемому вместо осевого осадочного давления можно использовать осадку

трением, осуществляя такой поворот на путь айп, где п может со­ставлять несколько оборотов, один оборот или только часть обо­рота. Таких машин пока не строится вообще, а вместе с тем сдви­говая осадка трением потребует в несколько раз меньшей осадоч­ной силы, чем сжатие обычное, но третьему слагаемому. Мало того, осадка может быть приложена в соответствии с пятым слагаемым и как ударная из одного, нескольких или многих ударов, каждый из которых будет обеспечивать малую осадку 6. Осадка по такой программе — это процесс многократно ударный, с малой часто­той ударов.

Равенство (3.1) достаточно отчетливо показывает, что стыко­вая сварка пока что замерла на статических программах осевого осадочного давления. Все стыковые машины в настоящее время только и строятся в расчете на эти программы. Однако нетрудно видеть, что для многих деталей, подвергаемых сварке, стыковые машины могут быть переделаны под комбинированные осадочные давления. Исследуя равенство (3.1), следует обратить особое вни­мание на то, что любой способ осадочной операции согласно треть­ему, четвертому, пятому и особенно шестому слагаемым макси­мально эффективен при тем меньших давлениях ро0 и ртр, чем с большей скоростью (малые toc, trp, tya и £сдв) эти давления при­кладываются к свариваемым деталям. Высокая скорость прило­жения осадочных давлений позволяет, таким образом, весьма сни­зить силы осадки и облегчить механическую часть машин. В то же время при относительно небольших давлениях осадки нужна ориентация на такие электротепловые режимы, при которых плос­кость, контакта вследствие пропускания тока получает темпера­туру точки плавления или даже выше ее. >

Все это говорит о том, что в электрической контактной сварке надо главное внимание уделять не только электротепловым про­цессам и электрическим системам стыковых машин, но и опера­циям механической * осадки и механическим системам машин. Основанием является равенство (3.1), которое показвівает, что технолог может исключительно точно, тонко и независимо регули­ровать вложение в контакт электрической и механической энер­гии, как и других видов энергии.

Так, в частности, ранее было показано, что ударно-стыковая сварка обеспечивает сварное соединение, наиболее близкое к идеальному. К[ сожалению, этот процесс приложим только к де­талям сравнительно малых сечений: тепловыделение искрового разряда не может быть распределено на большую площадь. Этого не позволяет делать сжимающее магнитное поле.

Взрывоискровой процесс оплавления отличается от искрового тем, что по торцам свариваемых деталей любой площади последо­вательно и одновременно во множестве возникают искровые раз­ряды, и каждый из них дает на металле кипящий слой. Однако весь процесс растянут во времени, идет на воздухе и, следователь­но, ему присущи неизбежные окислительные реакции по плоскости 116

торцов и даже изменение химического состава металла на некото­рую глубину от торцов. Сварное соединение, изготовленное мето­дом оплавления, оказывается далеким от идеального, особенно, если осадка была замедленной и недостаточной по силе. Послед­ствия такого плохого использования механической энергии осо­бенно часты при сварке больших сечений, как компактных, так и развитых.

Стыковая сварка методом сопротивления стальных деталей вообще ни при каких режимах ^рекомендуемых современной лите­ратурой, не может сохранить структуру металла, мало отличаю­щуюся от исходной. Однако равенство (3.1) подсказывает и дру­гие режимы для стержней малых диаметров (вероятно, не более 10 мм), которые могут оказаться весьма желательными, особенно для цветных металлов. В чем суть этих режимов? Электронагрев должен быть осуществлен возможно более кратковременным включением, но при значительной силе тока. Подбор режима на­грева следует производить опытным путем, помня о следующих теоретических ограничениях: в плоскости контакта температура должна превысить точку плавления на 100—200 °С. Тогда на торце каждого стержня окажется тонкий слой расплава. В этот момент должно быть осуществлено быстрое сжатие, но силой, значительно меньше той, какая рекомендуется в современных руководствах. Задача: выдавить жидкий металл из плоскости контакта, но так, чтобы тончайший слой расплава в стыке был сохранен. Если этот тончайший слой расплава затронет только несколько кристалли­ческих слоев на торце каждого стержня, такое соединение будет весьма близким к идеальному, поскольку кратковременный им­пульс тока не успеет испортить исходную структуру основного металла.

Рассмотрим, как конструкция и размеры деталей определяют выбор технологии стыковой сварки. На рис. 3.1 показаны некото­рые типовые стыковые соединения. Здесь одновременно полезно обратить внимание и на форму, и на размеры свариваемых деталей. Первый тип соединения (рис. 3.1, а) в зависимости от абсолютных и относительных размеров В и 6 может свариваться по-разному. При В = 8, если при этом площадь сечения не превышает S = = 1 см2, вполне возможна ударно-стыковая сварка разрядом кон-

Рис. 3.2. Образцы подготовки раз - Рис. 3.3. Образцы подготовки к сты - норазмерных деталей к различным ковой сварке трубчатых соединений способам стыковой сварки

денсатора. Возможна и сварка методом сопротивления. Однако при В б, и, если при этом б более 1 мм, единственно возможной становится стыковая сварка методом оплавления.

Большое число изделий кольцевой формы (рис. 3.1, б) также может быть сварено стыковой сваркой. Для них уже надо учитывать и размер D (для примера можно привести ободья автомобилей и корпуса железных бочек или стиральных машин).

Еще один тип изделий создал свою отраслевую технологию стыковой сварки — это цепи. Их размеры весьма многообразны, особенно корабельных цепей. Для звеньев крупных размеров (диаметр d > 10 мм, рис. 3.1, в) оказывается рациональным осуществлять сварку из двух половин, с двумя стыковыми швами.

Следующей типовой серией сварных конструкций можно счи­тать соединение стержней с плитами или какими-либо деталями массивной формы (рис. 3.2). Первый вариант соединения показан на рис. 3.2, а, когда массивная деталь имеет хвостовик большой длины, по крайней мере более (4ч-5) d. Детали такого рода мо - 118

жно сваривать любым способом: и методом сопротивления, и мето­дом оплавления. При относительно меньшем хвостовике, длиной порядка I = d (рис. 3.2, б), можно успешно произвести сварку только методом оплавления. Здесь необходима более высокая кон­центрация энергии в свариваемом контакте. Вариант соединения, показанный на рис. 3.2, в, может быть выполнен только искровым разрядом, т. е. с использованием самой высокой концентрации энергии в контакте. Проволоки диаметром от 2 до 5 мм могут при­вариваться к массивным деталям (рис. 3.2, г) методом сопротивле­ния, импульсом переменного тока, если торец проволоки подго­товлен в виде бульбы с шаровой поверхностью торца.

Процессы стыковой сварки широко применяются для трубчатых соединений; диаметры труб могут быть от 20 мм до 1420 мм, с тол­щиной стенок от 0,5 до 18 мм, что и определяет большое разнообра­зие технологических процессов сварки труб, даже без учета марки свариваемого металла. Если свариваются встык трубы одного и того же диаметра и толщины стенок (рис. 3.3, а), то применяется сварка непрерывным оплавлением. Сочетание массивной детали с трубой (рис. 3.3, б) может быть создано только для труб малого диаметра, посредством энергии искрового разряда. Процессом оплавления могут свариваться детали по схеме, показанной на рис. 3.3, в. Соединения, приведенные на рис. 3.3, г, не могут быть рекомендованы ни в каких случаях, так как они кроме неизбежной концентрации напряжений получают весьма безобразный внешний вид и требуют механической обработки.

Трубы малого диаметра особенно характерны для силовых трубопроводов, большого — для магистральных газо - и нефте­проводов.