Климов А.С., Смирнов И.В. Основы технологии и построения оборудования для контактной сварки

Подождите немного. Документ загружается.

обязательно идут с потерей энергии и её общим уменьшением в данной

системе. Таковы, например, процессы затвердевания и кристаллизации.

Некоторые процессы, связанные с накоплением энергии, можно

приостановить и тем самым накопить, законсервировать часть энергии в

системе. В таком состоянии она может находиться длительное время, готовая

разрядиться, если дать системе толчок. Наиболее наглядно

это можно

представить с помощью рис. 1.2. Шар попал в положение А и остановился на

этом уровне энергии, хотя его самым низким энергетическим состоянием

является уровень Б. В этот уровень он придёт только в том случае, если

получит лёгкий энергетический толчок, достаточный для преодоления

энергетического барьера В. Таким толчком может служить

подогрев, в

результате которого накопленная энергия начнёт разряжаться.

Рис. 1.2. Модель энергетических уровней металлических кристаллов

При сварке происходит процесс принудительного образования

межатомных (химических) связей между атомами, принадлежащими разным

деталям. Для сварки металлических конструкций характерно возникновение

преимущественно металлической формы связи, обусловленной

взаимодействием ионов и обобществлённых валентных электронов.

Металлическая связь образуется при сближении атомов на расстояния, близкие

к параметру кристаллической решётки

(несколько ангстремов).

1.5.1. Соединение идеально чистых тел

Рассмотрим вначале процесс образования сварного соединения двух тел с

совершенно ровными и чистыми поверхностями, а также с одинаковым типом и

ориентацией кристаллической решётки (рис. 1.3).

Если расстояние l значительно превышает параметр решётки,

взаимодействия атомов не происходит. При этом силы притяжения F

пр

(вызванные взаимодействием внешних электронов атомов одного тела с ядрами

атомов другого тела), а также силы отталкивания F

от

(вызванные

взаимодействием электронов поверхностных атомов одного тела с электронами

атомов другого тела и ядер атомов обоих тел) близки нулю (рис. 1.4).

При сближении атомов на расстояние l

<l<l

появляются силы

отталкивания F

от

, т.к. начинается электростатическое взаимодействие

электронов, находящихся на наиболее удаленных орбитах. Внутренняя энергия

системы двух тел повышается и достигает максимума при l=l

. Возникает так

называемый энергетический барьер.

Если энергия атомов (или внешняя сила) достаточна для преодоления F

от

возможно дальнейшее сближение атомов. Тогда на расстоянии l

<l<1

начинается объединение наружных электронных оболочек, т.е. сваривание.

Силы отталкивания резко уменьшаются, а силы притяжения возрастают.

Энергия системы снижается.

а) б)

Fот

Fр

Fпр

Emin

Однако по мере сближения внутренних электронных орбит сила

отталкивания вновь увеличивается и на расстоянии l<l

становится равной F

Равнодействующая этих сил F

оказывается равной нулю. Энергия системы

достигает минимума и соответствует энергии атомов в кристаллической

решетке, а расстояние l

соответствует минимальному расстоянию между

атомами в данной кристаллической решетке. Между поверхностными атомами

обоих тел устанавливаются прочные металлические связи. Заканчивается

процесс сваривания (схватывания). Состояние системы на расстоянии l

устойчивое. Дальнейшему сближению атомов препятствует резко

возрастающая сила отталкивания (из-за перекрытия внутренних электронных

оболочек). Обратному раздвиганию атомов препятствует сила притяжения.

Таким образом, для получения соединения необходимо преодолеть

энергетический барьер схватывания, т.е. затратить дополнительную энергию

извне, даже при сварке идеальных тел. Эта энергия называется энергией

активации Е

Рис. 1.3. Схема образования

соединения двух тел с идеально

чистыми и гладкими поверхностями

Рис. 1.4. Изменение потенциальной

энергии и сил взаимодействия при

сближении атомов

Способы введения энергии активации при сварке:

1. Деформирование тел (механическая активация).

2. Нагрев тел (термическая активация).

При механической активации прикладывают значительные сжимающие

усилия, достаточные для преодоления сил отталкивания.

При термической активации систему нагревают обычно до температур,

близких или равных температуре плавления. Увеличивается потенциальная и

кинетическая энергии атомов. Стабильность электронных конфигураций

уменьшается

. Повышается вероятность объединения электронных оболочек на

увеличенных расстояниях.

При контактной сварке часто применяют оба способа активации.

1.5.2. Соединение реальных тел

На поверхности реальных тел находятся слои окислов, адсорбированной

влаги и газа. Кроме того, поверхность деталей неровная, она имеет

определенный макро- и микрорельеф. Толщина пленок и размеры

шероховатости на несколько

порядков превышают расстояние l

дополнительно препятствуют образованию металлической связи по всей

площади контакта. Поэтому для соединения реальных тел, кроме Е

а,

необходимо приложить дополнительную энергию Е

для устранения

неровностей, а также для высвобождения наружных связей поверхностных

атомов (т.е. очистки поверхностей от пленок). Обычно на практике Е

> Е

Таким образом, можно считать, что для образования соединения реальных тел

нужно затратить энергию:

адобщ

ЕЕE

Если неровности и поверхностные пленки удалены, то возможно

дальнейшее сближение атомов с преодолением энергетического барьера

схватывания и образованием металлической связи. Однако уровень

минимальной энергии системы

min

(на расстоянии l

) в случае сварки реальных

тел оказывается выше, чем в случае идеальных тел. Это обусловлено

несовпадением ориентировки кристаллической решетки, а иногда ее

параметров и даже типа. Соединяемые поверхности заменяются границей

соединения с более высокой энергией, чем у атомов внутри неискаженной

кристаллической решетки.

1.6. Структура металлической поверхности

Поскольку соединение при контактной сварке

начинается и

осуществляется на границе раздела металлов, то для этого способа сварки

особенно важно состояние поверхности металла. Контактная сварка

определяется двумя основными свойствами металлической поверхности

реальных тел: структурой и геометрией.

При возникновении идеально чистой (ювенильной) металлической

поверхности, свободной от оксидных пленок и адсорбированных слоев

жидкостных и газовых молекул (при очистке в глубоком вакууме или разрыве

металлического образца), над ней в результате электронной эмиссии образуется

отрицательно заряженное облако из непрерывно движущихся

свободных

электронов, покидающих металл и снова возвращающихся в него (рис. 1.5 а).

Такое электронное облако активизирует молекулы кислорода в окружающей

атмосфере (рис. 1.5 б), что приводит к практически мгновенному окислению

поверхностного металла и образованию оксидной плёнки. Такая оксидная

плёнка сохраняет электрический потенциал, что приводит к дальнейшей

активизации молекул кислорода из окружающей среды,

их диффундированию к

слою основного металла и образованию новых оксидов (рис. 1.5 в).

а)

б) в)

Рис. 1.5. Структура слоёв металлической поверхности: а) ювенильная

поверхность; б) образование первого окисного слоя; в) формирование окисной

плёнки

По мере роста оксидной плёнки электронная эмиссия через неё

уменьшается, и толщина оксидов на поверхности металлов стабилизируется. На

холодном металле такие оксидные плёнки имеют сравнительно небольшую

толщину (порядка 3

⋅10

-8

м), что делает её оптически и электрически

нейтральной (т.е. не препятствует прохождению света и электрического тока).

Однако увеличение температуры его поверхности при различных способах

обработки приводит к увеличению толщины оксидного слоя и возникновению

цветов побежалости (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Свойства оксидного слоя на железе

Цвет побежалости Температура

возникновения,

Приблизительная толщина

слоя Δ⋅10

, см

Соломенно-жёлтый

Оранжевый

Красно-фиолетовый

Синий

220…240

240…260

260…280

280…300

450

500

650

700

Окалина 600 5000

Кроме оксидных пленок, металлические поверхности всегда покрыты

жировыми, газовыми молекулами и парами воды (рис. 1.6, слой

В). Толщина

таких покрытий различна. Например, пленка паров воды составляет 50…100

молекул. Жировые слои получаются еще большей толщины. После промывки

замасленного металла бензином слой органических молекул составляет

1…5 мкм и даже при особо тщательной обработке растворителями сохраняется

жировая пленка толщиной 10…100 молекул. Полностью удалить масляные

покрытия с металла практически невозможно никакими растворителями,

поскольку адсорбционная

связь жировых молекул и металла представляет

собой связь чисто электрическую. В этом случае полярные жировые молекулы

образуют с металлом двойной электрический слой, что и обеспечивает весьма

прочную связь металла и пленки одномолекулярной толщины.

Таким образом, на поверхности металла образуется сложная система из

окисных, жировых, пылевых и водяных слоёв (рис. 1.6), которая

препятствует

самопроизвольному свариванию любых металлических поверхностей,

образующих контакт. Зачистка всех наслоений с поверхности металла

невозможна никакими средствами, возможно только уменьшение толщины

поверхностной плёнки. Задачей сварки является обеспечение взаимодействия

(контакта) двух металлических деталей без промежуточной оксидной и

адсорбционной прослойки, т.е. непосредственного контакта между

кристаллами.

Рис. 1.6. Схема строения слоёв на реальной металлической поверхности: А –

металл глубинных слоёв; Б – металлооксидная эвтектика внешнего

кристаллического слоя; В – адсорбционные наслоения по оксидному слою

(воздух, пары воды, масло, пыль); MeO – оксидный слой

Такой контакт в реальных условиях может быть обеспечен двумя

способами – плавлением и давлением (термическая и механическая активация).

При механической

активации пластическая деформация выдавливает и выносит

за пределы плоскости контактирования все окисные и адсорбционные

наслоения. При термической активации (плавлении) оксидные и другие

наслоения просто растворяются в расплавленном металле.

При контактной сварке используется сочетание плавления и давления.

Однако по обязательному наличию механической активации контактную

сварку относят к способам сварки давлением.

Контрольные вопросы к главе 1

1. Перечислить исторические личности, стоящие в основе контактной сварки и

их вклад развитие контактной сварки.

2. Какие существуют способы контактной сварки и области их применения?

3. Какова физическая сущность контактной сварки?

4. Какова структура металлической поверхности?

5. К какому виду сварки – плавлением или давлением – относят контактную

сварку и почему

ГЛАВА 2. ФОРМИРОВАНИЕ СОЕДИНЕНЙ ПРИ КОНТАКТНОЙ

ТОЧЕЧНОЙ, ШОВНОЙ И РЕЛЬЕФНОЙ СВАРКЕ

2.1. Основные материалы, свариваемые контактной точечной, шовной и

рельефной сваркой в автомобилестроении

В настоящее время предприятия автомобилестроения являются основны-

ми потребителями оборудования для контактной сварки.

Кузов легкового автомобиля является одной из самых сложных и дорогих

его частей, стоимость которого составляет

порядка 60 % стоимости автомоби-

ля. При этом кузов состоит из нескольких десятков деталей и узлов, выполняе-

мых с применением дуговой, лазерной, дугоконтактной сварки и соединяемых

друг с другом контактной точечной сваркой.

При производстве кузовных деталей автомобиля используют два вида

проката:

1) тонколистовой холоднокатанный прокат из низкоуглеродистой качест-

венной стали;

2) тонколистовой прокат

из стали повышенной прочности.

Тонколистовой холоднокатанный прокат использовался в первой поло-

вине ХХ столетия, когда шло бурное развитие автомобилестроения. Это низко-

углеродистые стали, полуспокойные и кипящие, так как повсеместно выплавка

производилась в мартеновских печах. В 60-х гг. в основном использовали хо-

лоднокатаный лист для холодной штамповки из сталей 08Ю, 08пс, О

8кп шести

категорий штампуемости: особосложной (ОСВ), сложной (СВ), весьма глубо-

кой (ВГ), глубокой (Г), нормальной (Н) и без гарантии вытяжки. Начало произ-

водства автомобилей «ВАЗ» дало мощный импульс развитию производства ав-

томобильного листа. Введена новая категория вытяжки – весьма особо сложная

(ВОСВ и ВОСВ-Т) по техническим условиям (ТУ).

Тонколистовой холоднокатанный

прокат из низкоуглеродистой качест-

венной стали, предназначенный для холодной штамповки (ГОСТ 9045-93), раз-

деляют:

- по нормируемым характеристикам – категории 1, 2, 3, 4, 5;

- по качеству отделки поверхности – группы I, II, III: особо высокой отдел-

ки – I, высокой отделки – II, повышенной отделки III (III а, и III б). Про-

кат особо высокой отделки поверхности изготавливают по требованию

потребителя;

- по способности к вытяжке (

прокат толщиной до 2,0 мм): весьма особо-

сложной – ВОСВ, ВОСВ-Т; особо сложной – ОСВ; сложной – СВ; весьма

глубокой – ВГ. Прокат способностью к вытяжке ВОСВ и ВОСВ-Т изго-

тавливают по требованию потребителя;

- по точности проката: высокая – АА, повышенная – А, нормальная – Б.

Прокат изготавливают из низкоуглеродистых качественных сталей 08кп,

08пс и 08

Ю: 08Ю – способность к вытяжке ВОСВ, ВОСВ-Т, ОСВ, СВ (ВГ);

08кп, 08пс – способность к вытяжке ВГ.

Категории проката в зависимости от нормируемых характеристик приве-

дены в табл. 2.1 (знак «+» означает, что характеристика нормируется, «-» - не

нормируется). Механические свойства проката приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.1

Категории тонколистового холоднокатанного проката в зависимости от

нормируемых характеристик

Нормируемые характеристики

Категория

проката

0,2

HRB Глубина

сфериче-

ской лунки

Способность к

вытяжке

Толщина

проката,

мм, не бо-

лее

1 - - - - + СВ, ВГ 2,0

2 - + + - - СВ, ВГ, ОСВ 3,9

3 - + + - + ОСВ, СВ, ВГ 2,0

4 + + + - + ВОСВ, ВОСВ-Т,

ОСВ, СВ

2,0

5 + + + + + ВОСВ, ВОСВ-Т,

ОСВ, СВ

2,0

Таблица 2.2

Механические свойства тонколистового холоднокатанного проката

δ, %, не менее, при толщине проката, мм

Способ-

ность к

вытяжке

МПа <0,7 0,7…1,5 вкл. 1,5…2,0 вкл. 2,0…3,9 вкл.

HRB, не

более, при

толщине

проката

1,7…2,0 мм

ОСВ

СВ

ВГ

ВОСВ

ВОСВ-Т

195

205

185

175

250…350

250…380

250…390

250…350

250…320

Примеры использования тонколистового холоднокатанного проката из

низкоуглеродистой качественной стали:

- распорка рамки радиатора (ВАЗ 2123) – лист 1,5-08пс ГОСТ 9045-93;

- кронштейн крепления комбинации приборов (ВАЗ 1118) – лист 0,8-08кп ТУ-

14-1-247-72;

- усилитель накладки поперечины средний (ВАЗ 2123) – лист 1,5-08Ю ТУ 14-1-

754-73;

- стойка заднего крыла наружняя (ВАЗ 1118) – лист 0,8-08ЮП ТУ 14-1-5296-95.

Одной из наиболее перспективных является сталь 08ЮП, производство

проката из которой разработано на Новолипетском металлургическом комбина-

те. Нормируемые механические свойства такой стали: σ

≥220 МПа,

≥340 МПа; уровень штампуемости такой стали позволяет применять её вме-

сто низкоуглеродистых (08кп, 08пс, 08Ю) и низколегированных (08ГСЮТ,

08ГСЮФ) сталей. Технологические испытания на ОАО «АВТОВАЗ» подтвер-

дили преимущества упрочненного листа из стали 08ЮП при серийной штам-

повке деталей, изготовляемых обычно из стали 08Ю категорий СВ, ОСВ (арки

колес, боковины кузова, пол задний и др.), что позволило использовать его для

широкой номенклатуры деталей выпускаемых и новых моделей. Положительны

и результаты переработки листа (0,7…1,2 мм) на других автозаводах Украины и

России, в результате чего масса деталей снижена на 10…20 %, стало возмож-

ным производить детали более сложной формы, сокращен марочный ряд у по-

требителя, унифицированы некоторые изделия и узлы.

Тонколистовой прокат из стали повышенной прочности начал приме-

няться в последние годы ХХ столетия под техническим руководством

ОАО «АВТОВАЗ» металлургическими комбинатами (ОАО «НЛМК», г. Ли-

пецк; ОАО «Северсталь», г. Череповец; ОАО «ММК», г. Магнитогорск;

ОАО «АО ЛМЗ», г. Лысьва, фирма U.S. Steel, Кошица, Словакия) совместно с

ЦНИИЧМ им. Бардина (Москва), когда было освоено

производство современ-

ных автолистовых сталей, в том числе с цинковыми покрытиями, что позволило

обеспечить мировой уровень качества листа. Повышение прочности стали на

30-50 % позволяет снизить толщину листа на 6-15% в действующих конструк-

циях и до 25 % в заново создаваемых.

Тонколистовой прокат повышенной прочности из низколегированной

стали толщиной 0,5…3,0 мм (ГОСТ 17066-94) разделяют:

- по способу

производства – горячекатанный, холоднокатанный;

- по виду продукции – листы, рулоны;

- по минимальному значению предела текучести: 295, 315, 345, 355 и 390;

- по качеству отделки поверхности в соответствии с ГОСТ 16523-97 – группы

II, III, IV: холоднокатанный – III, по требованию потребителя - II, горячекатан-

ный – IV, по требованию потребителя – III.

Примеры сталей для изготовления такого проката: 09ГС, 14Г2, 09Г2Д,

12ГС, 16ГС, 09Г2С, 15ГФ, 10ХСНД, 15

ХСНД и др. Механические свойства

проката и условия испытания на изгиб в холодном состоянии должны соответ-

ствовать ГОСТ 17066-94 (табл. 2.3): в числителе стоят значения для горячека-

танного, а в знаменателе – для холоднокатанного проката.

Таблица 2.3

Механические свойства тонколистового проката из стали повышенной

прочности (не менее) и условия испытания на изгиб

Класс прочности

МПа

δ, %

295

315

345

355

390

295

315

345

355

390

440/410

460/430

490/460

510/480

530/500

2.2. Использование алюминиевых сплавов в автомобилестроении

Начиная с 1980…1985 гг. с целью снижения массы, уменьшения стоимо-

сти и повышения ресурса эксплуатации автомобилей начались исследователь-

ские работы во многих странах мира (США, Япония, Германия, Россия и др.) по

применению алюминиевых сплавов в конструкциях кузовов легковых автомо-

билей и лёгких грузовиков. Ранее в

конструкциях различных узлов и агрегатов

автомобилей применяли автомобильные сплавы, прежде всего в блоках цилин-

дров, головках блоков, поршнях, радиаторах, дисках колес и др.

В настоящее время в ряде опытных и мелкосерийных автомобилей, на-

пример, «Ауди-А8», «Лотус», «Экспедишен» (Форд), «Навигатор» и др. в кон-

струкции кузовов широко используют алюминиевые сплавы. Однако

это, как

правило, автомобили высокого класса или спортивные. Объём их производства

не превышает 0,1…0,2 % от общего объёма выпуска легковых автомобилей в

мире (по данным на 2000 год).

Относительно небольшой объём применения кузовов из алюминиевых

сплавов связан с целым рядом принципиальных трудностей: отсутствием опти-

мальных сплавов для производства кузовов; низким пределом текучести алю-

миниевых сплавов по отношению к стали; отсутствием серийной технологии

штамповки, особенно тонкостенных изделий, оптимальных серийных техноло-

гий подготовки поверхности под сварку, дуговой и контактной сварки, нанесе-

ния защитных покрытий; необходимостью разработки и приобретения принци-

пиально новых источников дуговой сварки, а также переобучением персонала.

В последнее время во многих странах мира, и

прежде всего в США, резко

ужесточились требования к экологическим показателям и экономии топлива.

По расчётам специалистов, если, согласно новым стандартам по экономии топ-

лива, пробег автомобилей будет увеличен 34 км/л к 2015 г. вместо 12,75 км/л

сейчас, это приведет к 40…60 % росту потребления алюминиевых сплавов в ав-

томобилестроении, а доля алюминиевых сплавов

в конструкции автомобиля со-

ставит в среднем 300…700 кг на автомобиль. Необходимо отметить, что в на-

стоящее время на один легковой автомобиль приходится порядка 150…180 кг

алюминиевых сплавов (в 1995 г. этот показатель составлял 87 кг).

Как известно, 10 %-ное снижение массы автомобиля обеспечивает эконо-

мию топлива на 8…12 %, что снижает уровень выделения СО

. Таким образом,

ряд объективных факторов способствует широкому применению алюминиевых

сплавов в конструкции автомобиля, и в первую очередь – кузова.

Анализ современных тенденций развития автомобилей показал, что от-

четливо наметились три основных направления применения алюминиевых

сплавов при изготовлении кузовов автомобилей. Первое – в автомобилях с не-

сущим кузовом, в основном, навесных деталей и

узлов: капотов, крышек ба-

гажников, лючков, сменных крыльев, дверей, топливных баков, силовых балок

переднего и заднего бамперов, систем выхлопа и т.д. Второе – в автомобилях с

несущим кузовом – практически всех деталей и узлов кузова. Третье – в авто-

мобилях с рамной конструкцией – всех деталей и узлов кабины (или кузова).