Оценка прочности соединений полученных сваркой с сопутствующей пайкой

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ СОЕДИНЕНИЙ ПОЛУЧЕННЫХ СВАРКОЙ С СОПУТСТВУЮЩЕЙ ПАЙКОЙ

В.И. Савуляк,

С.А. Заболотный,

Д.В. Бакалец

Перспективным направлением увеличения долговечности и повышения эксплуатационных свойств сварных конструкций при ремонте и изготовлении является использование в сочетании нескольких родственных процессов [1-4]. Целесообразно применение таких технологий для обеспечения повышенных требований по надежности и долговечности. Примером является ремонт рам средств транспорта, в частности лонжеронов, участки которых повреждены трещинами [2, 5]. Для их ремонта и усиления предложено устанавливать дополнительные элементы путем их приваривания с сопутствующей пайкой. Технология предусматривает использование высокотемпературных припоев, что позволяет повысить прочность соединений и коррозионную стойкость околошовной зоны [6, 7]. Особенностью технологии есть то, что припой устанавливается между основными элементами, которые свариваются, и расплавляется за счет тепла в околошовной зоне, выделенного в процессе горения дуги [2].

Предыдущими исследованиями установлено, что использование сварки с сопутствующей пайкой позволяет увеличить ресурс конструкции по сравнению с другими известными методами ремонта [5]. Однако дополнительных исследований требует установление влияния сформированного паяного компонента на прочность соединения и конструкции в целом.

Общепринятая технология высокотемпературной пайки включает такие дополнительные операции [8] как очистка и лужение основного материала, предшествующих сборке конструкции в нужном положении с необходимым зазором. После этого основу нагревают выше температуры плавления припоя, наносят флюс и только потом вводят припой, заблаговременно покрытый флюсом. Введение припоя проводят путем касания им разогретого места спайки, в результате чего он расплавляется и затекает в зазор между деталями [9].

В технологии, предусматривающей сочетание сварки с сопутствующей пайкой, выполнения всех рекомендованных выше операций практически невозможно или затруднено. Реализация сварки с сопутствующей пайкой выполняется по другой технологии, поэтому возникает необходимость исследования характеристик паяного участка полученного соединения, что позволит прогнозировать его общую прочность.

Исследовались паяные участки с использованием медных, медно-серебряных, медно-цинковых и самофлюсующихся медно-фосфорных припоев. Предыдущий микро- и макроанализ паяного участка показал возможность получения качественных соединений [2].

Испытание на прочность и обработку экспериментальных данных выполняли по рекомендациям ГОСТ 28830-90. Перед проведением сварки с сопутствующей пайкой соединяемых деталей 1 и 2 (рис. 1, а) в местах размещения припоя 3 приваривали дополнительные элементы 6, что необходимо для закрепления в машинах испытания на разрыв. Для испытаний на срез из сварено-паяной конструкции (рис. 1, а) по штриховой линии 5 вырезали образец (рис 1, б) и высверливали два отверстия 7.

После проведения сварки с сопутствующей пайкой образцы на разрыв (тип II) и срез (тип V) механически обрабатывались до размеров по ГОСТ 28830-90. При этом полностью удалялся сварной шов и оставалось только паяное соединения (рис 1, б) и (рис 1, в).

Во время выполнения паяных соединений на опытных образцах максимально возможно приближались к реальному технологическому процессу приварки накладок для усиления, то есть поверхность основы и паяльного материала механически зачищали, после чего собирали так, как показано на (рис. 1, а) и проводили процесс сварки. В ряде опытов между паяльным материалом и заготовкой размещали тонкий слой флюса 4 на основе борной кислоты и буры [10]. Установлено, что увеличение его количества приводит к чрезмерному порообразования, а его отсутствие заметно снижает способность припоя смачивать стальные поверхности.

а) б) в)

Рис. 1. Схема подготовки образцов для испытания паяного участка на разрыв и срез: а) сварка с сопутствующей пайкой; б) образец тип V; в) образец тип II

В ходе экспериментальных исследований не всегда удавалось достичь полного расплавления паяльного материала теплом, которое распространяется от сварочной ванны. Установлено, что максимальная ширина полоски, которую можно расплавить в процессе сварки, существенно зависит от мощности дуги, температуры плавления материала припоя, геометрии деталей (толщины стенок рамной конструкции и элементов усиления и т.д.), а также и от пространственного положения электрода относительно деталей в процессе сварки (см. на рис.1, а углы б и в).

Исследование влияния вышеуказанных параметров проводили с использованием пакета прикладных программ (ППП) конечно-элементного анализа. Одним из наиболее информативных способов вывода результатов моделирования являются температурные поля, значение и характер распространения которых позволяет судить о максимальном количестве паяльного материала, который может быть расплавлен в заданных условиях.

Для примера рассмотрим модель приварки накладки толщиной 5 мм к основанию толщиной 7 мм. Толщина полоски припоя (в заданной модели) при этом составляет 1 мм, мощность сварки 37 Вт / мм². Сварку проводили электродом диаметром 4 мм на постоянном токе прямой полярности под углом б = 45⁰. Сечение, проходящее по сварной ванне, указывает на характер распространения температурного поля от зоны сварки (рис. 2, а) перпендикулярно сварному шву. Это сечение температурного поля не полностью определяет допустимую ширину полоски припоя, поскольку скорость его распространения не равна скорости сварки. Корректным является использование для этого дополнительно построенных изотерм квазистационарного температурного поля на горизонтальном сечении А-А, проходящего по оси пластинки паяльного материала (рис. 2, б).

а)

б)

Рис. 2. Температурное поле процесса сварки с нанесенными изотермами: а) поперечное сечение; б) горизонтальное сечение А-А

Рациональную ширину полоски припоя можно определить, используя его основные теплофизические характеристики (температура плавления, теплопроводность, теплоемкость) [6]. В данном исследовании используется паяльный материал с температурами плавления 800 и 600 °С. Построенные касательные к изотермам температур плавления (рис 2, б) должны быть параллельными оси пластины паяльного материала. Ширина полоски паяльного материала должна помещатся в пределах от границы сварного шва до соответствующей касательной. С учетом масштаба определяем ширину пластинок припоя. Для припоя с температурой плавления 800 °С ширина должна составлять 4, 2 мм, а 600 °С - 7, 6 мм в условиях соблюдения вышеуказанных параметров. Для расплавления паяльного материала, кроме необходимой температуры, нужно время, за которое к нему поступит необходимое количество теплоты. Для его определения построены термограммы нагрева пластинки припоя в процессе сварки для наиболее удаленных относительно сварного шва точек Т1, Т2 (рис. 3). По построенным термограммам, кроме максимальной температуры, можно определить время пребывания паяльного материала в определенной области температур. Для припоя с температурой плавления 800 ° С оно определяется из промежутка между линиями I и II (рис. 3) и составляет 10 с.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Термограммы точек Т₁, Т₂

Исследование влияния пространственного положения электрода относительно деталей в процессе сварки на конфигурацию температурных полей и положение изотерм выполняли с использованием компьютерного моделирования и проверяли экспериментально. Для схемы сварки внахлест положение электрода относительно деталей определяется углом к оси шва в и углом в плоскости, перпендикулярной оси шва б (см. рис. 1, а). Изменение последнего при сварке внахлест контролируется ГОСТ 5264-80 и может колебаться в пределах 30...60°. Он частично определяет форму поперечного сечения сварного шва, объем наплавленного металла, и соответственно влияет на скорость сварки. Поэтому угол наклона электрода изменяет количество и распределение тепловой энергии по объему деталей и частично определяет количество паяльного материала, который может быть расплавленный теплом сварки.

В таблицах 1 и 2 приведены данные по выбору ширины полоски припоя толщиной 1 мм в зависимости от угла наклона электрода б в процессе сварки для различных толщин стенки лонжерона рамной конструкции. Толщина накладки при этом составляет 5 мм, мощность сварки 37 Вт / мм².

Таблица 1. Ширина полоски припоя с Т_пл = 800 ° С

Таблица 2. Ширина полоски припоя с Т_пл = 600 ° С

Для больших толщин лонжерона рамы расчеты не выполнялись так как ширина полоски припоя, которая может быть расплавлена, практически не меняется с дальнейшим ростом толщины его стенки.

С использованием разработанных рекомендаций получено качественные сварено-паяные соединения и проведены их механические испытания на растяжение и сдвиг, рассчитаны пределы прочности на разрыв и срез паяного участка шва.

Таблица 3. Механические свойства паяного соединения

Испытаниями установлено, что использование медно-фосфорных припоев для усиления сварных соединений нецелесообразно, поскольку увеличение прочности за счет паяного участка незначительное.

Для расчетов прочности сварено-паяного соединения и прогнозирования прочности конструкции в целом нужно учесть направление и величину нагрузок, действующих на него (рис.4).

Рис. 4 - Схема расчетного сечения сварено-паяного соединения внахлест

Распространенный вариант разрушения соединений внахлест, нагруженных силами F, происходит по линии наименьшего сечения сварного шва и паяного участка I - II, а прочность зависит от марки материалов и рабочих площадей сечения сварного шва и паяльного материала [11, 12]. Кроме того, в проектных расчетах предлагается учитывать коэффициент условий работы сварного шва (0, 85-1), и коэффициент прочности припоев (0, 5-0, 65). Итак, максимально допустимые усилия на сварено-паяные швы F_с-п.с рассчитаем по формуле (1):

(1)

где S_св.шв - площадь наименьшего сечения сварного шва;

R_wy - расчетное сопротивление сварного шва (принимаем по пределу прочности основного материала);

г_c - коэффициент условий работы (берем максимально возможный 0, 85);

S_п.м - площадь паяного участка, работающего на срез;

ф - предел прочности на срез паяной участка;

k_п.м - коэффицент прочности припоев (принимаем 0, 5).

Площадь паяного участка определяется как произведение длины на ширину паяльного материала. Площадь самого маленького сечения сварного шва расположена под углом 45⁰ к катетам и рассчитывается по формуле:

(2)

где k - катет сварного шва, принимаем в соответствии с толщиной накладки;

l - расчетная длина сварного шва, равная фактической минус 10 мм.

Эффективность использования технологии сварки с сопутствующей пайкой рассмотрено для случая приварки накладки толщиной 5 мм к стенки лонжерона рамы из стали 09Г2С (R_wy = 500 МПа) толщиной 7 мм и паяльного материала с температурой плавления 800 ° С. В случае приварки накладки электродом с углом наклона б = 30⁰ (ширина пластинки медно-цинкового припоя 3, 8 мм) прочность соединения возрастает на 22%, а при тех же условиях с углом наклона б = 60⁰ (ширина пластинки припоя 5, 3 мм) увеличивается на 30%. В случае использования для сварки с сопутствующей пайкой медного припоя прочность соединения внахлест можно увеличить на 36% по сравнению со сваркой без пайки.

Разработан ряд практических рекомендаций относительно использования сварки с сопутствующей пайкой для ремонта рам транспортной техники путем приваривания усилительных накладок.

Приведенная в статье методика, основанная на использовании программ конечно-элементного анализа, дает возможность определять оптимальные параметры режима сварки с сопутствующей пайкой и количество паяльного материала, которое может быть расплавлено.

Для сварки с сопутствующей пайкой целесообразно использовать высоко-температурные припои на основе меди, которые позволяют увеличить прочность соединения внахлест на величину до 36% по сравнению со сваркой без пайки.

дуга горение сварка пайка

Список литературы

1. Поєднання зварювання та паяння для ремонту рам транспортних засобів / В. І. Савуляк, С. А. Заболотний, Д. В. Бакалець // Проблеми трибології. - 2014. - №3(73). - С17 - 21.

2. Improvement of strengthening and repair of frame structures welding methods / V. I. Savulyak, S. A. Zabolotniy, D. V. Bakalets / Tehnomus «New Technologies and Products in Machine Manufacturing Technologies» jornal / Romainia. - 2013. - №20. - S. 189-192.

3. Хорунов В. Ф. Основы пайки тонкостенных конструкций из високолегированных сталей / В. Ф. Хорунов. - Киев: Наукова думка, 2008. - 240 с.

4. Особливості паяння маловольфрамових твердих сплавів / С. Ю. Мариненко, Г. М. Крамар / Прогресивні технології і системи машинобудування. - 2014 - № 1(47). - С.196 -200.

5. Підвищення надійності та відновлення металоконструкцій транспортних та сільськогосподарських машин / Д. В. Бакалець, В. І. Савуляк, // Збірник наукових праць Вінницького національного аграрного університету. Серія Технічні науки. - 2012. - Випуск 11(66). - Т. 2. - С. 302-306.

6. Петрунин И. Е. Пайка металлов / И. Е. Петрунин, С. Н. Лоцманов, Г. А. Николаєв. - М.: Металлургия, 1973. - 280 с.

7. Ляпіна О. В. Фізико-хімічні процеси на поверхні плівок мідних сплавів: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. хім. наук: спец. 01.04.18. “Фізика і хімія поверхні” / Ляпіна Олена Василівна; Прикарпатський національний університет ім. Василя Стефаника. Івано-Франківськ, 2006. - 20 с.

8. Кортес А. Р. Сварка, резка, пайка металлов / А. Р. Кортес- М.: Аделант, 2007. - 192 с.

9. Технология сварки, пайки и контроля заготовок режущего инструмента. Методические рекомендации ВНИИ. Под редакцией К. П. Имшенника, М.: НИИМашпрома, 1976. - 432 с.

10. Екатова А. С. Флюсы и газовые среды. Справ. / А.С. Екатова. - М.: Машиностроение, 1975. - 407 с.

11. Пособие по проектированию стальных конструкций к СНиП П-23-81 “Стальные конструкции” ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989. - 148 с.

12. Прочность сварных соединений при переменных нагрузках. ИЭС им. Е.О. Патона / Под ред. В.И. Труфякова. К.: Наук, думка, 1990. - 256 с.

Размещено на Allbest.ru