Сварка взрывом и прокаткой

Сварка прокаткой

Сварка прокаткой – метод  соединения металлических материалов в твердой фазе при совместной горячей или холодной обработке  с последующим отжигом пластической деформации свариваемых заготовок, обеспечивающий механическое разрушение окисных пленок при изоляции соединяемых поверхностей от контакта с атмосферным воздухом. Заготовки предварительно обезжиривают. Необходимая пластическая деформация может быть обеспечена путем совместной прокатки, волочением, прессованием и другими способами обработки давлением [1, 2]. Большая степень деформации достигается многократным обжатием. Деформирование происходит в направлении, перпендикулярном поверхности соединения, что вызывает течение металла вдоль свариваемых поверхностей и, как следствие, механическое разрушение менее пластичных окисных пленок. При сварке разнородных материалов эффект разрушения усиливается вследствие различия их пластических свойств. Металл заготовок на чистых участках проявляет способность к схватыванию, в результате чего образуются замкнутые несплошности (“ловушки”), заполненные газом. Это состояние рассматривают как первую стадию процесса. Дальнейшее распространение процесса сварки на всю площадь соединяемых заготовок при последующей деформации зависит от ассимиляции этих газов материалом заготовок. Возможными механизмами, способствующими этому, являются растворение газов в металле и химическое взаимодействие их (связывание) с компонентами самого материала и оксидами. Оценка вероятности протекания химических реакций может быть сделана на основе подсчетов изобарного потенциала: 

 

Δ G° = Δ Н° – Т Δ S°,                                                                 (3.1); 

 

где Δ Н° – стандартное изменение  энтальпии рассматриваемой реакции;  Δ S° – стандартное изменение энтропии реакции; Т – температура реакции, К.

Отрицательное значение Δ G° говорит о возможности протекания реакции.

Рассмотрим состав газовой смеси, находящейся внутри пакета при сварке биметалла Ст3 + ХI8Н10Т (табл. 3.1). Наибольшую сложность вызывает присутствие азота, составляющего основную часть этой газовой смеси. Увеличение относительного содержания азота с повышением температуры говорит о малой скорости образования нитридов. Что касается термодинамической вероятности связывания азота в нитриды металлов (за исключением никеля), то она существует.

Таблица 3.1 

 

Состав газовой смеси  и условия протекания процесса сварки  

 

Температура, °С	Время нагрева, мин	Давление 10–5 Па	Мас. % О2	Мас. % N2	Мас. % СО2
20	–	1	23,1	75,5	0,06
980	60	2,2	0,4	61,6	0,05
1050	160	0,6	2,5	80,0	–

 

 

Анализ химических реакций остальных  газов с металлами и окислами показывает возможность их ассимиляции  в процессе нагрева и деформации при сварке. На первой стадии сварки  по границе раздела появляются участки  поверхности с повышенной концентрацией структурных дефектов (дислокации, вакансии). Это создает благоприятные условия для нежелательных процессов и приводит к тому, что по толщине металла образуются зоны переменного химического состава и старения.

Таким образом, при определенных условиях возможно резкое уменьшение парциальных давлений газов, содержащихся внутри пакета. В процессе многократного деформирования происходит дробление и растворение оксидов. Остатки оксидов проявляют стремление принять глобулярную форму, соответствующую минимуму свободной энергии. Для предотвращения образования устойчивых оксидов поверхность заготовок предварительно покрывают тонким слоем такого металла,  который имеет невысокое сродство с кислородом (никель). Основными параметрами процесса являются: температура нагрева пакета, общая степень обжатия и число обжатий, режим отжига. На качество соединения в бóльшей степени влияет и ряд других факторов: состав и толщина подслоя, качество очистки поверхности, окончательная термическая обработка и т. д.

Технологические схемы сварки. Наибольшее распространение получила схема обжатия между цилиндрическими валками (“пакетный” метод) при производстве слоистых листов и лент (рис. 3.1, а, б, в, г). Различают горячую и холодную сварку прокаткой. 

Рис. 3.1. Технологические схемы сварки, применяемые при производстве

коррозионно-стойких и износостойких  материалов: а – конструкция одинарного;

б – двойного  симметричного; в – двойного несимметричного; г – тройного пакета:

1 – пакет; 2 – свариваемая заготовка; 3 – планка; 4 – технологическое сварное

соединение; 5 – поверхности свариваемых заготовок 

В первом случае подготовленные и собранные в блок (пакет) заготовки  нагреваются до температур, достаточных  для прокатки, и подвергаются многократному  обжатию между валками. Во втором случае собранный блок проходит последовательно несколько раз чередующиеся операции обжатия в ненагретом состоянии и в состоянии отжига. Этот вариант используется для: сварки достаточно пластичных материалов (медь плюс алюминий, алюминий плюс титан, алюминий плюс латунь и др.) и изделий относительно малой толщины. Пакетный метод (рис. 3.1, а, б, в) позволяет получать двух-трёхслойные материалы. Одновременно могут свариваться два и три комплекта заготовок, между которыми помещают специальный разделительный слой, препятствующий свариванию заготовок различных комплектов. Чаще всего применяют симметричный двойной пакет (рис. 3.1, б). Собранный пакет герметизируется с помощью сварки. Аналогично выглядит схема сварки цилиндрических заготовок.

Технологические возможности метода. Рассматриваемым методом удаётся сварить разнородные материалы: углеродистые, низколегированные стали с нержавеющими, конструкционными и инструментальными сталями и сплавами, с цветными и тугоплавкими металлами; углеродистые стали, цветные металлы и сплавы с драгоценными редкими металлами; разнохарактерные цветные металлы и сплавы друг с другом; композиционные материалы.

Этим методом получают исключительно  нахлёсточные соединения.

Диапазон толщин листов и полос, изготовленных сварной прокаткой, лежит в пределах  4…25 мм. При этом следует иметь в виду, что исходные заготовки имеют значительно большие толщины. Приведем размеры заготовок (слябы): 700…1200х1700…2500х100…150 мм. Максимальная площадь соединения ограничивается, по существу, только возможностями оборудования. Всегда стремятся получить заготовки с максимальной соединяемой площадью, чтобы снизить отходы материала при обрезке краёв прокатного, слоистого листа.

Этим методом, кроме тонких и  толстых листов и полос, получают слоистые трубы, проволоку, профили и т. д. Диапазон отношений толщин основного и плакирующего слоя достаточно широк.

Подготовительные и отделочные операции весьма трудоёмки. Сам процесс  сварки имеет такую же производительность, как и прокатка. Можно применять  рулонную прокатку ленты.

Вследствие различия коэффициентов  термического расширения возможно коробление изделия, и тем в большей степени, чем ближе отношение соединяемых  толщин к единице.

В силу неравномерной пластической деформации каждого слоя и различия коэффициентов термического расширения материала соединяемых заготовок и неравномерного охлаждения могут появиться значительные остаточные напряжения и, как следствие, микротрещины.

Процесс сварки ведется на обычных  прокатных и волочильных станах.

Технология сварки включает следующий комплекс операций:

1. Холодную правку исходных заготовок  на прессах.

2. Механическую обработку свариваемых  поверхностей и обрезку заготовок  до определенных размеров.

3. Обезжиривание свариваемых поверхностей.

4. Промывку.

5. Сушку.

6. Нанесение покрытий (промежуточный слой).

7. Сборку и заварку пакета.

8. Нагрев пакета.

9. Прокатку.

10. Заключительную термическую  обработку.

11. Обрезку кромок раскатанного  пакета.

12. Разделение листов.

13. Правку.

14. Отделку поверхности (травление,  дробеструйная обработка).

15. Контроль качества сварки (ультразвуковой метод или механические испытания).

При холодной прокатке 8-я операция отсутствует. Режимы нагрева и деформирования рассчитываются принятыми в прокатном  производстве методами. Температура  нагрева при сварке сталей обычно лежит в диапазоне 1200…1250 °С. Суммарная деформация составляет 70…80 % при 5…7-кратном (редко 10-кратном) обжатии.

При сварке легко окисляющихся металлов (например, титана) пакет продувается  инертным газом. В отдельных случаях внутрь герметичного пакета помещают пирофорный материал (церий или его сплавы), который при нагреве связывает кислород находящегося в нем воздуха.

Высокое качество соединения получается при горячей прокатке в вакууме. Однако этот процесс более дорогой  и требует специализированного оборудования.

В качестве подслоя при сварке нержавеющей  стали применяют чаще всего никель, который наносят гальваническим способом или напылением. Толщина  подслоя 40…100 мкм. Возможно использовать и другие материалы: медно-никелевые, железо-хромистые, железо- ванадиевые и другие сплавы. Эти подслои могут выполнять и роль барьерных покрытий.  
Для облегчения сварки между заготовками иногда прокладывают тонкую фольгу или лист из эластичного металла. При сборке размеры заготовок, находящихся внутри пакета, выбирают с учётом коэффициентов термического расширения.

Режимы термической обработки  назначаются в зависимости от марок свариваемых материалов.

Оборудование. Сварка ведется на обычных прокатных или волочильных станках. Нагрев заготовок осуществляется в камерных и методических печах, в нагревательных колодцах. Для сборки пакетов требуется сварочный пост, для нанесения подслоя – гальванические ванны или установки напыления.

Промышленное применение. Рассматриваемый метод получил достаточно широкое применение в металлургическом производстве при изготовлении слоистых лент и листов, биметаллической проволоки и других полуфабрикатов. Из слоистых материалов изготавливают химические аппараты, лемеха и диски культиваторов сельскохозяйственных машин, режущий и деревообрабатывающий инструмент, тормозные колодки, ножи для наборных фрез, призмы весов и т. д. Этим же методом получают сталемедный контактный провод. 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 

 

1. Что является оснасткой при  обжатии заготовок?

2. Что представляют собой соединяемые материалы?

3. Назовите виды соединений.

4. Каким методом наносится подслой и что изготавливают этим методом из слоистых материалов?