Сварка деталей с большой разницей толщин


Ю. В. Казаков











СВАРКА ДЕТАЛЕЙ С БОЛЬШОЙ РАЗНИЦЕЙ ТОЛЩИН

Монография


















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 621.791
ББК 34.641
     К14




Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Н. Г. Дюргеров (Ростовский государственный университет путей сообщения);
доктор технических наук, профессор В. С. Штенников (Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова)






     Казаков, Ю. В.
К14       Сварка деталей с большой разницей толщин : монография /
     Ю. В. Казаков. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 320 с. : ил., табл.

           ISBN 978-5-9729-0610-9

           Изложены результаты исследований процессов шовной контактной и аргонодуговой сварки тонкостенных деталей с массивными. Изучены особенности термодеформационных процессов при сварке, определены условия качественного формирования сварных соединений деталей из аустенитных сталей, алюминиевых и титановых сплавов, разработана оснастка и оборудование.
           Для исследователей и работников производственных предприятий, а также преподавателей и студентов средних и высших технических учебных заведений.
УДК 621.791
ББК 34.641









ISBN 978-5-9729-0610-9

     © Казаков Ю. В., 2021
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

            Оглавление



Предисловие...........................................................6
Введение..............................................................7
Глава 1. Особенности сварки деталей с большой разницей толщин........11
  1.1. Шовная контактная сварка......................................11
  1.2. Сварка плавлением.............................................16
  1.3. Задачи исследования...........................................26
Глава 2. Исследования процесса шовной контактной сварки..............28
  2.1. Особенности формирования сварного ядра........................28
  2.2. Механизм образования подковообразного сварного ядра...........49
  2.3. Повышение стабильности формирования сварного ядра.............58
    2.3.1. Шаговая сварка............................................58
    2.3.2. Уменьшение неравномерности плотности тока в сечении контакта...............................................67
  Выводы.............................................................71
Глава 3. Особенности тепловых процессов и условий формирования шва при дуговой сварке деталей с большой разницей толщин.....................73
  3.1. Аналитические исследования температурных полей................73
  3.2. Моделирование температурных полей.............................83
  3.3. Правомерность термина «детали с большой разницей толщин»......87
  3.4. Условия повышения надёжности технологии аргонодуговой сварки..91
  3.5. Исследование возможностей дуговой сварки по прихваточным швам, выполненным пайкой и шовной контактной сваркой.....................94
  3.6. Выбор схемы сварки импульсной дугой нахлёсточных соединений деталей с большой разницей толщин с технологическими буртами на массивной детали...............................................101
  3.7. Выбор схемы процесса сварки непрерывной дугой нахлёсточных соединений деталей с большой разницей толщин......................106
  3.8. Условия устойчивости кромки тонкой детали в процессе сварки непрерывной дугой.................................................113
  3.9. Сборка деталей с большой разницей толщин с натягом...........124
  3.10. Особенности сварки круговых и кольцевых стыков малого диаметра...................................................131
  Выводы............................................................138

3

Глава 4. Дуговая сварка деталей с большой разницей толщин из нержавеющей стали...............................................140
  4.1. Методика исследований.......................................140
  4.2. Сварка импульсной дугой с технологическими буртами на массивной детали..............................................143
    4.2.1. Структура и свойства сварных соединений.................143
    4.2.2. Подготовка стыка и сборка деталей под сварку............148
    4.2.3. Влияние параметров режима сварки с экранирующим буртом на качество сварных соединений.................................152
  4.3. Сварка непрерывной дугой со сквозным проплавлением тонкой детали....................................................160
    4.3.1. Временные перемещения тонкой кромки в процессе сварки.....160
    4.3.2. Особенности формирования сварного шва...................168
    4.3.3. Влияние условий сборки и параметров режима сварки непрерывной дугой на формирование шва..........................171
  4.4. Дуговая сварка многослойных тонкостенных оболочек с массивной арматурой............................................175
  Выводы...........................................................184
Глава 5. Дуговая сварка деталей с большой разницей толщин из лёгких сплавов..................................................185
  5.1. Сварка деталей из алюминиевых сплавов.......................185
    5.1.1. Влияние оксидных плён на свойства соединения............191
    5.1.2. Исследование влияния P-фазы на свойства соединений......196
    5.1.3. Сварка трёхфазной импульсной дугой......................201
  5.2. Сварка деталей с большой разницей толщин из титановых сплавов.212
    5.2.1. Особенности формирования шва при сварке тонкостенных конструкций из титановых сплавов...............................212
    5.2.2. Защита поверхности свариваемой детали от воздуха........222
      5.2.2.1. Совершенствование местной защиты зоны сварки........223
      5.2.2.2. Сварка в камерах с контролируемой атмосферой........226
      5.2.2.3. Особенности сварки при пониженном давлении защитного газа...............................................230
      5.2.2.4. Система многократного использования защитного газа..233
  Выводы...........................................................245
Глава 6. Оборудование и оснастка, промышленное освоение результатов работы.................................................247
  6.1. Оснастка для контактной шовной сварки.......................247
  6.2. Источник питания импульсной дуги............................248
  6.3. Автоматы для сварки сильфонов с арматурой...................256
  6.4. Камеры с контролируемой атмосферой..........................265

4

  6.5. Перспективные разработки....................................268
    6.5.1. Способ автоматического регулирования длительности импульса при сварке импульсной дугой....................................268
    6.5.2. Многоэлектродный автомат................................272
  6.6. Промышленное освоение и эффективность работы................277
    6.6.1. Внедрение полученных результатов........................277
    6.6.2. Экономическая эффективность.............................280
  Выводы...........................................................284
Заключение.........................................................286
  Общие выводы.....................................................286
  Рекомендации.....................................................288
Библиографический список...........................................290

5

            Предисловие



    Монография посвящена исследованиям термодеформационных процессов и других технологических особенностей процессов шовной контактной и аргонодуговой сварки тонкостенных оболочек с массивными деталями, в частности сильфонов и мембран с арматурой. Рассмотрены предложенные на основе этих исследований способы и оборудование для сварки, с помощью которых обеспечивается повышение качества сварных соединений и производительность труда. Большинство описанных в монографии результатов исследований, технологических процессов, оснастки и оборудования, опробовано в промышленном производстве и может быть использовано при изготовлении изделий. Кроме сильфонных и мембранных узлов, это могут быть крупногабаритные тонкостенные оболочки, соединяемые с массивными фланцами и другими деталями.
    Поэтому монография предназначается для исследователей сварочных процессов и работников сварочного производства, а также для преподавателей и студентов средних и высших учебных заведений, готовящих специалистов по технологии и оборудованию сварочного производства и смежных специальностей.
    В проведении исследований, разработке, опробовании и освоении технологических процессов сборки и сварки, оснастки и оборудования принимал участие большой коллектив (около 100 человек) сотрудников Куйбышевского филиала НИИ технологии и организации производства и Тольяттинского государственного университета, а также нескольких промышленных предприятий городов Самары и Тольятти. Особую благодарность за действенную помощь автор выражает академику РАЕН, доктору технических наук, профессору В. И. Столбову, существенно способствовавшему организации работы на различных ее этапах и внесшему ряд ценных идей. Большой вклад в исследования и разработки внесли инженеры А. Д. Кречетов, Н. А. Аксенов, Н. П. Синдюкаев, М. Г. Ступаченко, А. П. Мыскова, кандидаты технических наук Р. 3. Сайфеев, В. П. Потехин. Разделы 3.8, 3.9 и 4.3 подготовлены доктором экономических и кандидатом технических наук П. В. Корчагиным.
    Первые шаги в этой работе были сделаны еще в 1959 году, с тех пор работа периодически возобновлялась и в представленном в монографии виде сложилась в 2007 году. Автор не считает эту работу полностью законченной, исследования продолжаются. Поэтому отзывы, и особенно замечания и предложения читателей, будут приниматься автором с благодарностью.

6

            Введение



    Сочетания деталей с большой разницей толщин широко применяются в машиностроении. Такие сочетания типичны для конструкций, содержащих гибкие элементы или тонкостенные оболочки, соединяемые с массивными деталями. К ним относятся мембранные, диафрагменные и сильфонные сварные узлы, а также крупногабаритные тонкие оболочки, соединяемые с арматурой, стыковочными и крепежными деталями. Перспективны сочетания деталей с большой разницей толщин в конструкциях космических объектов, поскольку преимущественная толщина свариваемых деталей этих объектов составляет 0,1 ...4 мм [227]. Мембранные [224; 291; 319; 325; 355; 359] и диафрагменные [309] узлы в виде тонкостенных дисков или пластин, приваренных к массивной арматуре, используют в качестве датчиков давления, либо для передачи колебаний от одной среды к другой, или в качестве разделителей сред, которые должны смешиваться при разрушении мембраны или диафрагмы специальным устройством.
    Сильфонные узлы представляют собой упругую тонкостенную гофрированную оболочку, соединенную с массивной арматурой [50; 32]. Гофрированную оболочку изготавливают чаще всего из трубной заготовки, сваренной продольным швом [239; 240], путем выдавливания гофр внутренним давлением в специальной форме [357]. Применяют сильфонные узлы (рис. 1) в качестве датчиков давления, компенсаторов в системах трубопроводов [31; 220; 272; 309; 342] и уплотнений, при передаче линейных и угловых перемещений через стенки, разделяющие различные среды [51; 53], в качестве стабилизаторов давления в трубопроводах [43]. Сильфонные узлы могут служить исполнительными элементами в пневматических и гидравлических спусковых механизмах, в качестве чувствительных элементов в автоматических и измерительных устройствах [53; 291], в термостатах, расходомерах и т. п., используются в качестве металлорукавов и гибких шлангов [290]. Потребителями сильфонов в Советском союзе являлись более 1000 предприятий 30 отраслей промышленности, а общее их производство достигало 12 миллионов штук в год при номенклатуре, составляющей более 3000 наименований [250]. Для изготовления сильфонных, мембранных и диафрагменных узлов применяют коррозионностойкие и жаропрочные дисперсионно твердеющие стали [10], никелевые сплавы, сочетания стальной тонкостенной детали с медной арматурой [194], титановые сплавы [11], тантал [268], медные сплавы,


7

в частности томпак, алюминиевые сплавы [134*; 136*]¹. Но чаще всего, особенно для изготовления сильфонных узлов, применяют высоколегированные коррозионностойкие стали типа 18-8 [30; 48; 270]. Толщина кромки тонкой детали (сильфона, мембраны, диафрагмы, оболочки) может составлять от 0,05...0,1 мм [61; 356] до 0,3...0,5 мм [189], тогда как деталь, с которой эта кромка соединяется, может иметь толщину до нескольких десятков миллиметров.


Рис. 1. Варианты конструкций сильфонных узлов

     Сильфонные, мембранные и диафрагменные узлы являются ответственными конструкциями, существенно влияющими на работоспособность машин и аппаратов. Отказ такого узла в процессе эксплуатации зачастую ведет к аварии всего изделия. Поэтому при производстве сильфонных, мембранных и диафрагменных узлов большое внимание должно уделяться качеству их изготовления на всех операциях технологических процессов. Один из наиболее сложных и ответственных технологических процессов -это сварка мембран, тонкостенных сильфонов или оболочек с массивными деталями. Различные условия теплоотвода в тонкую и массивную детали создают в этом случае затруднения при всех способах сварки. Одним из са

      ¹ Здесь и далее знаком * обозначены публикации автора.

8

мых технологичных способов соединения деталей с большой разницей толщин считалась шовная контактная сварка. Исследования, выполненные в НИАТ, МАТИ, МГТУ им. Н. Э. Баумана, ВИАМ и в ряде других организаций Ф. А. Аксельродом, А. А. Аловым и Е. А. Булгачёвым, Д. С. Балковцем, Л. Н. Кагановым, В. Э. Моравским, Б. Д. Орловым, П. Л. Чулошниковым и другими учеными [4; 7; 8; 10; 21; 22; 23; 33; 34; 49; 209; 222; 223; 251], позволили создать технологию контактной сварки, которая нашла применение в промышленности. Однако по мере расширения объема производства деталей с большой разницей толщин, по мере появления новых ответственных конструкций таких деталей оказалось, что эта технология в целом ряде случаев не удовлетворяет возрастающим требованиям. Нестабильная прочность швов, грубая чешуйчатость их поверхности и возникающие в связи с этим трудности контроля качества снижают надёжность сварных соединений деталей с большой разницей толщин, работающих в агрессивных средах, в условиях большого перепада давлений, высоких знакопеременных нагрузок, глубокого вакуума. Опыт промышленных предприятий показал, что брак сильфонов в результате дефектов сварных швов, выполненных шовной контактной сваркой, может составлять 10...15 %, а в отдельных случаях достигает 40...50% [89*; 281]. О качестве сварных соединений при шовной сварке судят по результатам разрушения сваренных деталей, при этом на технологические пробы расходуется 5.10% кондиционных сварных узлов. Непроизводительные затраты на брак и на контроль качества в целом по стране составляли более 30 миллионов рублей в год по ценам 60-х - 80-х годов прошлого века.
    Всё это вызвало необходимость изыскания и исследования новых процессов сварки деталей с большой разницей толщин, свободных от недостатков, присущих контактной роликовой сварке. Были разработаны и успешно применялись технологические процессы пайки сильфонных узлов и компенсаторов [29; 244; 272; 273; 351]. Однако вследствие специфики конструкций стыков деталей, а в ряде случаев повышенной трудоёмкости и энергоёмкости, процессы пайки не получили широкого распространения. Предпочтение было отдано сварке плавлением. Наряду с дуговой сваркой успешно опробованы способы электроннолучевой [35; 68; 356] и лазерной [35; 54; 171] сварки. Однако эти способы, в связи с относительно высокой стоимостью оборудования и повышенными требованиями к точности сборки деталей, также нашли лишь ограниченное применение в промышленности. Отмечалось также [356], что при этих способах сварки отклонения параметров режима от оптимальных значений сильно влияют на размеры шва. Существенным

9

преимуществом электроннолучевой сварки можно считать возможность практически одновременного нагрева и сварки криволинейного стыка (например, при наложении кругового шва) по всей его длине, что снимает проблему слежения за стыком и обеспечивает более равномерный нагрев всей зоны сварки. Это возможно при осуществлении предложенного нами способа [121*], по которому электронный луч сканируют с большой частотой по прямоугольной площадке, в которую вписан весь криволинейный стык деталей или его часть. В моменты пересечения лучом линии стыка мощность луча увеличивают. Сигнал о положении стыка деталей получают от видикона, установленного над стыком. Электронный луч в этом случае рисует точками повышенной мощности луча изображение стыка на самом стыке деталей. Но из-за сложности оборудования для этого способа и ограниченности его применения на многих конструкциях деталей с большой разницей толщин этот способ развития не получил.
    Данные, полученные НИАТ [285], и другими предприятиями [13; 16; 307] показали, что наиболее перспективным способом сварки плавлением деталей с большой разницей толщин может служить способ дуговой сварки не-плавящимся электродом в среде аргона. Сварные соединения, выполненные аргонодуговой сваркой, имеют более стабильное формирование [13; 15; 46] по сравнению со швами, полученными контактной шовной сваркой, легче контролируются визуально и допускают подварку местных дефектов. Это создает предпосылки для повышения качества соединений ответственных конструкций из деталей разных толщин. Однако с первых же шагов освоения дуговой сварки этих конструкций оказалось, что большая разница в толщине кромок свариваемых деталей приводит к резкой неравномерности их нагрева. В результате тонкая кромка, перегреваясь, деформируется, образуются прожоги [13; 16]. Таким образом, применение дуговой сварки само по себе еще не решило проблему повышения качества сварных узлов из деталей с большой разницей толщин. Для решения этой проблемы требуется разработка новых технологий сварки, которые могут быть созданы на основе исследования особенностей процессов нагрева разнотолщинных кромок и формирования соединяющего их сварного шва. Поэтому целью настоящей работы являлось повышение качества сварных соединений деталей с большой разницей толщин путем теоретических и экспериментальных исследований условий и процесса их соединения и разработки новых способов и технологических процессов сварки.

10

            Глава 1. Особенности сварки деталей с большой разницей толщин


    1.1. Шовная контактная сварка

    Для соединения деталей с большой разницей толщин контактную сварку применяют с 1948 года [335]. Первые работы в этой области [45; 165; 214] показали, что сварные соединения удовлетворительного качества могут быть получены только с помощью технологических приемов, обеспечивающих искусственное смещение центра сосредоточения тепла в сторону тонкой детали. К таким приемам относили применение со стороны более тонкой детали электрода с меньшей контактной поверхностью, теплоизолирующих прокладок между тонкой деталью и электродом, укорочение длительности импульса (применение жестких режимов сварки).
    Исследования Д. С. Балковца, Б. Д. Орлова, П. Л. Чулошникова [21; 23; 222; 282; 314; 333] и ряда других ученых показали, что формирование ядра в плоскости сопряжения деталей можно получить, лишь применяя особо жесткие режимы сварки - с длительностью импульса тока 0,01 с и менее. При длительности импульса больше этого значения сварное ядро смещается в толщу массивной детали [343]. Хорошо обеспечиваются жёсткие режимы с коротким импульсом тока с помощью конденсаторной сварки [76; 160; 209]. В случае применения более мягких режимов сварки формирование сварного ядра происходит от центра контакта к его периферии, имеет место сплошное проплавление [312; 314]. Однако при этом ядро смещается в массивную деталь и в контакте между деталями образуется непровар.
    При коротком импульсе сварочного тока ядро удается сместить в контакт между деталями, но в этом случае решающим фактором, определяющим форму сварного ядра, является распределение тока в сварочном контакте. На его периферии плотность тока имеет наибольшее значение [176; 333], что обусловливает смещение зон максимальных температур от центра контакта между деталями на его периферию. Поскольку процесс сварки при жестких режимах протекает быстро, то за время, в течение которого формируется ядро, температура не успевает выравниваться по всей площади контакта, и сварное ядро формируется в виде тороида - образуется кольцевое проплавление (рис. 1.1). Сплошное ядро можно получить лишь при ширине контактной части электрода <45, где 5 - толщина тонкой детали. Выдержать это условие при сварке реальных деталей в большинстве случаев невозможно.


11

    Характерной особенностью режима сварки является небольшая величина усилия на сварочных электродах, которое должно быть на порядок меньше усилия применяемого при сварке деталей одинаковой или близкой по значению толщины. Но даже при относительно небольшом усилии на электродах сварные швы имеют, как правило, глубокую вмятину, соизмеримую с толщиной тонкой детали.


Рис. 1.1. Типичное формирование сварного шва в поперечном сечении при контактной шовной сварке: 1 - тонкая деталь толщиной 0,2 мм; 2 - массивная деталь толщиной 4,0мм. Кольцевое проплавление [333]. *150

     Анализ выполненных ранее работ [33; 34; 49; 312; 327] в области шовной контактной сварки деталей с большой разницей толщин позволил установить типичные основные недостатки этого процесса. Это значительные наружные и внутренние выплески, которые являются следствием локального перегрева отдельных периферийных участков контакта между деталями и контакта между электродом и тонкой деталью. По этой же причине на поверхности тонкой детали наблюдаются оплавленные участки (рис. 1.1), могут образовываться местные выходы ядра сварной точки на поверхность тонкой детали, её прожоги, раковины.
     Сложилось мнение, что даже при небольших случайных колебаниях параметров режима сварки или изменении состояния поверхности свариваемых деталей имеет место резкое смещение сварного ядра в тонкую или массивную детали. В первом случае это ведёт к прожогам тонкой кромки, во втором - к непровару. Поверхность сварного шва характерна грубой неравномерной чешуйчатостью. Это затрудняет неразрушающий контроль сварных соединений, делая его практически невозможным. Мелкие трещины, прожоги и раковины в сварном шве не обнаруживаются никакими способами контроля. Сквозные дефекты можно определить только гидро- или пневмо

12

испытаниями на герметичность, а несквозные дефекты вообще не выявляются. Выявленные сквозные дефекты устранить с помощью подварки трудно, а зачастую практически невозможно. Сварные узлы с такими дефектами бра

куются.
    Попытки устранения этих недостатков шовной контактной сварки вызвали к жизни многочисленные разработки, направленные на повышение качества сварных соединений.
    Для контактной сварки сильфонных узлов создана специальная оснастка [206; 297; 333], позволяющая уменьшать усилие на электродах при использовании серийных сварочных машин (рис. 1.2) и специализированные контактные роликовые машины [4; 160; 209; 333], обеспечивающие диапазон значений параметров режима, требуемый для сварки деталей с большой разницей толщин. Это позволило в известной степени стабилизировать параметры режима сварки и несколько улучшить качество сварных соединений. Однако практический опыт и результаты дальнейших исследований показали, что совершенствование сварочного оборудования не может полностью устранить общие недостатки контактной шовной сварки деталей с большой разницей толщин [8; 33; 222; 282]. Основное внимание должно быть уделено вопросам

совершенствования технологии.
    Усилия исследователей в области совершенствования технологии направлены главным образом на изучение формирования сварного ядра и на разработку на основании результатов этих исследований способов и технологических приёмов сварки, обеспечивающих уменьшение неравномерности распределения плотности тока и выделения тепла в сварочном контакте [8; 21; 34; 70; 333; 343; 345]. Цель этих исследований - увеличение площади проплавления в контакте деталей, в пределе - получение сплошного ядра при его стабильном формировании.
    Разработаны и опробованы способы сварки с тепловыми экра

Рис. 1.2. Приспособление для сварки сильфонов на машине МШП-150 [297]

13