книги / Сварка в машиностроении. Т. 2

Гл а в а 4

МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ

Материал и конструкция электродов определяют качество сварного соединения, производительность, а в некоторых случаях и возможность ведения процесса контактной сварки.

Требования к материалам электродов контактных машин целесообразно рас­ сматривать в зависимости от их конкретного назначения. Например, электроды точечных и шовных машин работают при высокой плотности тока (до 250— 300 А/мм2). Материал электродов этой группы должен обладать высокой электро- и теплопроводностью, малой склонностью к взаимодействию с металлом свари­ ваемых деталей, особенно при сварке легких сплавов, большой твердостью и высокой температурой рекристаллизации при сварке коррозионно-стойких и жаропрочных сплавов. Электропроводность электродов не ниже 70% электро­ проводности чистой меди при твердости НВ 100—160 и температуре рекристалли­ зации 250—500° С. Чем выше электропроводность и твердость свариваемых ма­ териалов, тем выше должны быть эти показатели у материалов электрода (ГОСТ 14111—77).

Электроды контактных машин для стыковой и рельефной сварки работают при сравнительно малых плотностях тока (до 12—15 А/мм2). К материалам этих электродов предъявляют пониженные требования по тепло- и электропроводности (до 35% электропроводности меди) и повышенные требования по твердости в ус­ ловиях эксплуатации (НВ до 180—200). Последнее условие позволяет обеспечить меньший износ электродов, более точную центровку заготовок при стыковой сварке и более равномерное распределение сил и тока при групповой рельефной сварке.

Для изготовления электродов применяют холоднотянутую технически чистую медь. Однако при высокой тепло- и электропроводности она имеет низкое сопро­ тивление деформации при повышенной температуре, в связи с чем наибольшее распространение получили различные сплавы на медной основе. Наилучшим комплексом свойств обладают дисперсионно-твердеющие электродные сплавы. В качестве легирующих элементов используют Сг, Cd, Zr, Mg, Zn, Ag, Со. Для сохранения высокой тепло- и электропроводности их количество обычно не пре­ вышает 1—1,5%. Для упрочнения в сплавы вводят Ni, Si, Fe, а для повышения температуры рекристаллизации — в малых количествах В, Be, Ti, Zr. Сопро­ тивление меди окислению при 500—700° С можно повысить небольшими добав­ ками А1, Mg, Be. Присадка серебра и магния в медь способствует увеличению числа сваренных точек без потемнения поверхности изделия из алюминиевых сплавов [4]. Состав и основные свойства металлов и'сплавов, применяемых для изготовления электродов, приведены в таблице [1, 3, 4, 7, 8].

Наиболее высокой электропроводностью обладают сплавы БрКд1 (МК) и MCI, применяемые в наклепанном состоянии для сварки алюминиевых и магние­ вых сплавов. При сварке сплавов АМгбН, АМц и Д16 большей стойкостью по сравнению с кадмиевой бронзой обладают высокоэлектропроводные медные сплавы с малыми добавками серебра или магния и бора, имеющие мелкозернистую струк­ туру [6]. Незначительные добавки серебра (~0,1% ) повышают температуру рекристаллизации меди на 100—150° С при снижении электропроводности на 1%. Для значительного повышения стойкости электродов при сварке алюминиевых сплавов в медно-магниевый сплав (Mg до 0,3%) вводят до 0,1% В. Можно также применять электроды с цирконием (0,27—0,31% Zr, остальное Си). Предложен­ ные для сварки алюминиевых и магниевых сплавов металлокерамические элект­ роды системы Си—А120 3 [2] с содержанием окислов около 3% имеют электро-

проводность 80% электропроводности технически чистой меди, твердость НВ 105—108 и температуру рекристаллизации 600—650° С. Электроды из этого материала применяют без дополнительной термомеханической обработки. Высо­ кая температура разупрочнения позволяет замедлить процесс химического взаи­ модействия со свариваемым материалом — потемнение поверхности деталей из сплава АМгб наступает через 80—90 точек. При применении электродов из сплава БрКд1 аналогичный эффект обнаруживается уже через 18—20 точек.

Для сварки сталей и титановых сплавов используют более твердые, но не менее электропроводные сплавы меди с хромом и добавками Cd, Al, Mg, Zr. Среди них наибольшее распространение нашли дисперсионно-твердеющие сплавы БрХ, БрХЦр, Мц5Б, упрочняемые термомеханической обработкой. Сплав Мц5Б является наиболее универсальным, его можно использовать при сварке большин­ ства рассматриваемых материалов. Сплав Мц4 применяют в основном для литья фигурных электродов. Для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей одним из лучших является сплав меди с 0,25—0,45% Сг и добавками Zr и Ti (по 0,04—0,08%). Такой сплав обеспечивает в термически обработанном состоянии крупнозернистую структуру, твердость НВ 140—150, высокую пла­ стичность в интервале рабочих температур и электропроводность 70—80% элект­ ропроводности технически чистой меди.

Наиболее высокой твердостью и жаропрочностью из сплавов на основе меди обладает бронза БрНБТ, применяемая для сварки жаропрочных сталей, никеле­ вых и кобальтовых сплавов. Для сварки материалов с высоким электросопро­ тивлением, преимущественно коррозионно-стойких и жаропрочных сталей при соотношении толщин более 2 : 1, а также для сварки материалов с резко различ­ ными теплофизическими свойствами предложен сплав [5]: 2—3% Ni; 0,2—0,6% Ti; 0,3—0,6% Be; 1,5—2% Fe; 0,1—0,25% В, остальное медь. Условиям работы эле­ ктродов для стыковой и рельефной сварки в наибольшей степени удовлетворяют сплавы БрНБТ, ЭВ, БрАЖНП, БрКН1-4.

Особую группу материалов представляют вольфрам, молибден, эльконайт ВМ и др. Они имеют высокую твердость и жаропрочность, целесообразную для вста­ вок составных электродов при рельефной сварке, и низкую электро- и теплопро­ водность, используемую, например, при сварке деталей с большой разницей толщин, деталей из разнородных металлов, а также металлов (серебро, медь, ла­ тунь), имеющих малое удельное электрическое сопротивление.

В зарубежной практике из высокоэлектропроводных материалов для элект­ родов контактных машин применяют кадмиевую (1% Cd) и циркониевую (0,15% Zr) бронзы, медь с присадкой серебра до 1%, теллура и др. [4]. Хромовые бронзы с небольшими добавками (до 0,1%) циркония рекомендуются как лучшие по стойко­ сти для сварки углеродистых сталей. Для сварки коррозионно-стойких и жаро­ прочных сталей наибольшее распространение нашли сплавы на основе тройной системы Си—Со—Be (2—2,5% Со; 0,3—0,5% Be; остальное Си).

Список литературы

<»

1. Кабанов H. С., Слепак Э. Ш. Технология стыковой контактной сварки. М.,

Л., «Машиностроение», 1972. 96 с.

5.Сплав для электродов контактных сварочных машин. Авторское свидетельство

СССР № 291766, кл. В23к 11/30. — Бюллетень «Изобретения. Промышленные образцы.

Г л а в а 5 СВАРКА КОНСТРУКЦИОННЫХ

НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

СОСТАВ И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ

Углерод является основным легирующим элементом в углеродистых конструк­ ционных сталях и определяет механические свойства сталей этой группы. Повы­ шение его содержания усложняет технологию сварки и затрудняет возможности получения равнопрочного сварного соединения без дефектов. Стали с содержа*, нием углерода до 0,25% относятся к низкоуглеродистым. По качественному при­ знаку углеродистые стали разделяют на две группы: обыкновенного качества и качественные. По степени раскисления стали обыкновенного качества обозначают: кипящую — кп, полуспокойную — пс и спокойную — сп. Кипящая сталь, со­ держащая не более 0,07% Si, получается при неполном раскислении металла марганцем. Сталь характеризуется резко выраженной неравномерностью рас­ пределения серы и фосфора по толщине проката. Местная повышенная концент­ рация серы может привести к образованию кристаллизационных трещин в шве и околошовной зоне. Кипящая сталь склонна к старению в околошовной зоне и переходу в хрупкое состояние при отрицательных температурах. Спокойные стали получаются при раскислении марганцем, алюминием и кремнием и содержат не менее 0,12% Si; сера и фосфор распределены в них более равномерно, чем в ки­ пящих сталях. Эти стали менее склонны к старению и отличаются меньшей реак­ цией на сварочный нагрев. Полуспокойная сталь по склонности к старению зани­ мает промежуточное положение между кипящей и спокойной сталью. Сталь обык­ новенного качества поставляют без термической обработки в горячекатаном со­ стоянии. Изготовленные из нее конструкции также не подвергают последующей термической обработке. Эти стали изготовляют по ГОСТ 380—71, ГОСТ 4543—71, ГОСТ 5520-69 и ГОСТ 5521—76 (табл. 1).

Сталь углеродистую обыкновенного качества в соответствии с ГОСТ 380—71 подразделяют на три группы. Сталь группы А поставляют по механическим свойствам и для производства сварных конструкций не используют (группу А в обозначении стали не указывают; например, СтЗ). Сталь группы Б поставляют по химическому составу, а группы В по химическому составу и механическим свойствам* Перед обозначением марки этих сталей указывают их группу, напри­ мер, БСтЗ, ВСтЗ. Полуспокойную сталь марок 3 и 5 производят с обычным, ч повышенным содержанием марганца (после номера марки ставят букву Г (см. табл. 1). Стали ВСт1, ВСт2, ВСтЗ всех степеней раскисления и сталь ВСтЗГпс, а также стали БСт1, БСт2, БСтЗ всех степеней р,'окисления и сталь БСтЗГпс (по требованиям заказчика) поставляются с гарантией свариваемости. Для ответ­ ственных Конструкций используют сталь группы В.

Углеродистую качественную сталь с нормальным (марки 10, 15 и 20) и повы­ шенным (марки 15Г и 20Г) содержанием марганца поставляют в соответствии с ГОСТ 1050—74 и ГОСТ 4543—71. Она содержит пониженное количество серы. Стали этой группы для изготовления конструкций применяют в горячекатаном состоянии и в меньшем объеме после нормализации или закалки с отпуском (термоупрочИВние). Механические свойства этих сталей зависят от термической об­ работки. Сварные конструкции, изготовленные из этих сталей, для повышения прочностных свойств можно подвергать последующей термической обработке. Механические свойства некоторых низкоуглеродистых сталей обычного качества Н качественных сталей приведены в табл. 2 и 3.

1. Химический состав некоторых низкоуглеродистых конструкционных сталей, %

Стали, содержащие специально введенные элементы, которые отсутствуют в углеродистых сталях, называют легированными. Марганец считают легирую­ щим компонентом при содержании его в стали более 0,7% по нижнему пределу, а кремний — при содержании свыше 0,4%. Поэтому углеродистые стали марок ВСтЗГпс, ВСтбГпс, 15Г и 20Г с повышенным содержанием марганца по свари­ ваемости следует отнести к низколегированным конструкционным сталям. Леги­ рующие элементы, вводимые в сталь, образуя с железом, углеродом и другими Элементами твердые растворы и химические соединения, изменяют ее свойства. Это повышает механические свойства стали и, в частности, снижает порог хлад­ ноломкости. В результате появляется возможность снизить массу конструкций. В промышленности при производстве сварных конструкций широко используют низкоуглеродистые низколегированные стали (табл. 4 и 5). Суммарное содержа­ ние легирующих элементов в этих сталях не'превышает 4,0% (не считая угле­ рода), я углерода 0,25%.

ь зависимости от вводимых в сталь легирующих элементов низколегирован- !е стали разделяют на марганцовистые, кремнемарганцовистые, хромокрёмненикелемедистые и т. д. ГНалиаде марганца в сталях повышает ударную вязкость и хладноломкость, обеспечивая удовлетворительную свариваемость. По сравне­ нию с другими низколегированными сталями марганцовистые стали позволяют получать сварные соединения более высокой прочности при знакопеременных и ударных нагрузках. Введение в низколегированные стали небольшого количества меди (0,3—0,4%) повышает стойкость стали против коррозии (атмосферной и в морской воде). Для изготовления сварных конструкций низколегированные стали используют в горячекатаном состоянии. Термическая обработка улучшает механические свойства стали, которые, однако, зависят от толщины проката. Особенно важно, что при этом может быть достигнуто значительное снижение температуры порога хладноломкости. Поэтому некоторые марки низколегиро­ ванных сталей для производства сварных конструкций используют после упроч­

няющей термической обработки.

отсутствие дефектов в сварном шве. Для этого механические свойства металла шва и околошовной зоны должны быть не ниже нижнего предела механических свойств основного металла. В некоторых случаях конкретные условия работы конструкций допускают снижение отдельных показателей механических свойств сварного соединения. Однако в большинстве случаев, особенно при сварке ответ­ ственных конструкций, швы не должны иметь трещин, непроваров, пор, подрезов. Геометрические размеры и форма швов должны соответствовать требуемым. Сварное соединение должно быть стойким против перехода в хрупкое состояние. В отдельных случаях к сварному соединению предъявляют дополнительные тре­ бования (работоспособность при вибрационных и ударных нагрузках, понижен­ ных температурах и т. д.). Однако во всех случаях технология должна обеспечи­ вать максимальную производительность и экономичность процесса сварки при требуемой надежности и долговечности конструкции. '

Механические свойства металла шва и сварного соединения зависят от его структуры, которая определяется химическим составом, режимом сварки и пре­ дыдущей и последующей термической обработкой. Химический состав металла шва зависит от доли участия основного и электродного металлов в образовании шва и взаимодействий между металлом и шлаком и газовой фазой. При сварке рассматриваемых сталей состав металла шва незначительно отличается от состава основного металла (табл. 6). В металле шва меньше углерода для предупреждения образования структур закалочного характера при повышенных скоростях.охла­ ждения. Возможное снижение прочности металла шва, вызванное уменьшением содержания углерода, компенсируется легирование металла через проволоку, покрытие или флюс марганцем и кремнием. При сварке низколегированных сталей необходимое количество легирующих элементов в металле шва обеспечивается также и путем их перехода из основного металла.

6. Средний химический состав металла шва, %

Повышенные скорости охлаждения металла шва способствуют увеличению его прочности (рис. 1), однако при этом снижаются пластические свойства и ударная вязкость. Это объясняется изменением количества и строения перлит­ ной фазы. Скорость охлаждения металла шва определяется толщиной сваривае­ мого металла, конструкцией сварного соединения, режимом сварки и начальной температурой изделия.f Влияние скорости охлаждения в наибольшей степени проявляется при дуговой сварке однослойных угловых швов и последнего слоя многослойных угловых и стыковых швов при наложении их на холодные, предва­ рительно сваренные швы. Металл многослойных швов, кроме последних слоев, подвергающийся действию повторного термического цикла сварки, имеет более благоприятную мелкозернистую структуру. Поэтому он обладает более низкой критической температурой перехода в хрупкое состояние.//Пластическая дефор­ мация, возникающая в металле шва под действием сварочных напряжений, также повышает предел текучести металла шва. Свойства сварного соединения зависят