Приварка стальных шпилек к алюминиевым листам

С учетом экономической и экологической целесообразности замены стальных конструкций сплавами алюминия в транспортном машиностроении и строительстве и связанной с этим потребности в стальном крепеже, обеспечивающем необходимую нагрузку, разработаны технология приварки стальных шпилек к алюминиевому...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2013
Автор:	Калеко, Д.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2013
Назва видання:	Автоматическая сварка
Теми:	Производственный раздел
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102407
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Приварка стальных шпилек к алюминиевым листам / Д.М. Калеко // Автоматическая сварка. — 2013. — № 08 (724). — С. 38-42. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-102407
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1024072016-06-12T03:03:03Z Приварка стальных шпилек к алюминиевым листам Калеко, Д.М. Производственный раздел С учетом экономической и экологической целесообразности замены стальных конструкций сплавами алюминия в транспортном машиностроении и строительстве и связанной с этим потребности в стальном крепеже, обеспечивающем необходимую нагрузку, разработаны технология приварки стальных шпилек к алюминиевому листу и конструкция привариваемой шпильки. Показано, что применение для этого теплового барьера в виде испаряемого цинкового покрытия на торце шпильки снижает вероятность образования хрупких интерметаллидных соединений в переходном слое между стальной шпилькой и алюминиевым листом, а увеличенная поверхность приварки обеспечивает равнопрочность соединения со стальной шпилькой. Библиогр. 10, рис. 6. 2013 Article Приварка стальных шпилек к алюминиевым листам / Д.М. Калеко // Автоматическая сварка. — 2013. — № 08 (724). — С. 38-42. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102407 621.791.053.97 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Производственный раздел Производственный раздел
spellingShingle	Производственный раздел Производственный раздел Калеко, Д.М. Приварка стальных шпилек к алюминиевым листам Автоматическая сварка
description	С учетом экономической и экологической целесообразности замены стальных конструкций сплавами алюминия в транспортном машиностроении и строительстве и связанной с этим потребности в стальном крепеже, обеспечивающем необходимую нагрузку, разработаны технология приварки стальных шпилек к алюминиевому листу и конструкция привариваемой шпильки. Показано, что применение для этого теплового барьера в виде испаряемого цинкового покрытия на торце шпильки снижает вероятность образования хрупких интерметаллидных соединений в переходном слое между стальной шпилькой и алюминиевым листом, а увеличенная поверхность приварки обеспечивает равнопрочность соединения со стальной шпилькой. Библиогр. 10, рис. 6.
format	Article
author	Калеко, Д.М.
author_facet	Калеко, Д.М.
author_sort	Калеко, Д.М.
title	Приварка стальных шпилек к алюминиевым листам
title_short	Приварка стальных шпилек к алюминиевым листам
title_full	Приварка стальных шпилек к алюминиевым листам
title_fullStr	Приварка стальных шпилек к алюминиевым листам
title_full_unstemmed	Приварка стальных шпилек к алюминиевым листам
title_sort	приварка стальных шпилек к алюминиевым листам
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2013
topic_facet	Производственный раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102407
citation_txt	Приварка стальных шпилек к алюминиевым листам / Д.М. Калеко // Автоматическая сварка. — 2013. — № 08 (724). — С. 38-42. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT kalekodm privarkastalʹnyhšpilekkalûminievymlistam
first_indexed	2025-07-07T12:16:35Z
last_indexed	2025-07-07T12:16:35Z
_version_	1836990433175011328
fulltext	УДК 621.791.053.97 ПРИВАРКА СТАЛЬНЫХ ШПИЛЕК К АЛЮМИНИЕВЫМ ЛИСТАМ Д. М. КАЛЕКО ИЭС им. Е. О. Патона НАНУ. 03680, г. Киев-150, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua С учетом экономической и экологической целесообразности замены стальных конструкций сплавами алюминия в транспортном машиностроении и строительстве и связанной с этим потребности в стальном крепеже, обеспечивающем необходимую нагрузку, разработаны технология приварки стальных шпилек к алюминиевому листу и конструкция привариваемой шпильки. Показано, что применение для этого теплового барьера в виде испаряемого цинкового покрытия на торце шпильки снижает вероятность образования хрупких интерметаллидных соединений в переходном слое между стальной шпилькой и алюминиевым листом, а увеличенная поверхность приварки обеспечивает рав- нопрочность соединения со стальной шпилькой. Библиогр. 10, рис. 6. К л ю ч е в ы е с л о в а : сварка стали и алюминия, приварка шпилек, тепловые барьеры, покрытия В последние годы замена стали алюминиевыми сплавами, особенно в транспортном машиност- роении и отделочных, работах при строительстве зданий и сооружений, находит широкое приме- нение и позволяет снизить массу, повысить кор- розионную стойкость и связанные с этим эконо- мические и экологические достоинства продук- ции. При этом, естественно, возникает проблема либо крепления алюминиевых листов к несущей конструкции, либо использования поверхностей алюминиевых корпусов для навешивания на них приборов и аппаратуры, трубопроводов и элект- рических проводов. Как правило, это решается сверловкой отверстий, ослабляющих алюминие- вый корпус, или приваркой крепежных деталей без нарушения целостности конструкции. Одним из массовых методов присоединения крепежа к изделиям различного назначения яв- ляется механизированная приварка шпилек [1]. Правда, существующие методы в основном пред- назначены для соединения однородных металлов. Шпильки для массового применения, в том числе и из алюминиевых сплавов, изготавливают методом холодной высадки в соответствии со стандартом ISO 13918. Согласно этому же стан- дарту выбор алюминиевых сплавов ограничен алюминием Al 99,5 и сплавом AlMg3 (АМг3). Учитывая прочность материала, практическое применение шпилек из алюминиевых сплавов предполагает незначительную массу навешивае- мого элемента изделия. Нагрузку на крепеж можно повысить, приме- ненив стальные шпильки вместо алюминиевых. Однако известная проблема охрупчивания зоны сварки нерастворимыми соединениями железа и алюминия не позволяет применить стандартные стальные шпильки и известные способы их при- варки к алюминиевым изделиям. В последние годы появились реальные методы [2] соединения стали и алюминия плавлением, ко- торые позволили получать удовлетворительный результат при уменьшении тепловложения в про- цесс, главным образом в стальную деталь. Ранее в работе [3] было показано, что приварка стальных и алюминиевых шпилек к листам из тех же материалов при разнородном их сочетании разрядом конденсаторов дает возможность полу- чить удовлетворительные соединения благодаря кратковременности процесса. Несмотря на нали- чие в зоне стыка некоторого количества интер- металлидной фазы она не снижает качество со- единения, поскольку не представляет собой неп- рерывный слой, а вкраплена в мягкую алюмини- евую матрицу. Однако при многих достоинствах, обусловлен- ных кратковременностью разряда при конденса- торной приварке шпилек, та же кратковремен- ность процесса требует относительно высокой точности при изготовлении шпильки и производ- стве работ. В частности, необходимость высокой чистоты поверхности и сохранение с высокой точ- ностью (приблизительно ± 2о для шпильки М6) перпендикулярности оси ручного инструмента – сварочного пистолета – плоскости соединения. Из геометрических соображений последнее требова- ние возрастает при увеличении диаметра шпильки и соответственно диаметра буртика на ее прива- риваемом конце. Это обстоятельство сыграло важ- ную роль при выборе способа приварки шпилек по причинам, которые вытекают из изложенного ниже. Менее требователен по технике сварки метод приварки шпилек дугой постоянного тока корот- © Д. М. Калеко, 2013 38 8/2013 ким циклом, который сопоставим по диаметрам привариваемых этим способом шпилек с конден- саторной сваркой. Благодаря существенному уве- личению времени сварки (от единиц до десятков миллисекунд) удается успешно приваривать шпильки по замасленной или окисленной повер- хности при допускаемой непараллельности сва- риваемых поверхностей до 10°. Эти особенности обусловили применение, например, в автомобиль- ной промышленности, исключительно приварки шпилек коротким циклом. Однако использование этого метода ограничивается либо толщиной лис- та (более 1/4 диаметра шпильки), либо пробле- мами при сварке разнородных металлов, в том числе, при сварке стальных шпилек с алюмини- евым листом. Таким образом, назрела необходимость разра- ботки технологии соединения этих металлов ме- тодом приварки шпилек коротким циклом с уче- том запросов промышленности и строительной индустрии. При этом задача разбивается на две части — предложить технологию, позволяющую избежать или значительно затруднить образова- ние интерметаллидов железо–алюминий в метал- ле стыка, и форму стальной шпильки, повыша- ющую прочность соединения до требований стан- дарта ISO 14555 (соединение должно выдержи- вать изгиб шпильки на угол не менее 60°). Как было отмечено выше, помешать образо- ванию интерметаллидных соединений железа и алюминия при сварке плавлением, к которой от- носится приварка шпилек, можно путем умень- шения времени взаимодействия этих металлов и обеспечения допустимого парциального состава жидкой фазы перед окончанием процесса. Наи- более благоприятны условия при минимальном содержании железа в расплаве и высокой скорости охлаждения, обусловливающей ничтожно малую взаимную диффузию элементов. Второе условие хорошо выполняется при приварке шпилек ко- ротким циклом, поскольку энергия, вложенная в свариваемые детали, не превышает 1 кДж, и она отводится в холодные детали. Для выполнения первого условия была пред- ложена [4] шпилька с барьерным покрытием, ко- торое служит для торможения плавления мате- риала шпильки (в обсуждаемом процессе — ста- ли) путем поглощения энергии дуги, нагревающей свариваемые поверхности. Для исследований были выбраны два варианта широко применяемых покрытий: цинковое и хро- мовое, имеющих резко отличающиеся тепловые свойства. Температура испарения цинка (906,2 °С) ниже температуры плавления стали, а у хрома — выше (2672 °С), но зато хром имеет значи- тельно более высокую теплоту испарении, чем цинк (соответственно ~6,6 и ~1,7 кДж/г). Такой выбор позволил сравнить роль теплофизических параметров — температуры и теплоты испарения — в торможении плавления металла шпильки. Последнее оценивали по микроструктурам свар- ных соединений. Первую серию экспериментов проводили со стандартными (в соответствии с ISO 13918) сталь- ными шпильками М6 без покрытия, с цинковым и хромовым покрытиями толщиной 20 мкм. При- варку коротким циклом к листу А0 толщиной 3 мм проводили на установке GLV 650 при токе около 600 А (нерегулируемый) и переменных зна- чениях времени сварки и длины дуги, определя- ющей не только напряжение на дуге, но и скорость погружения шпильки в ванну расплавленного ме- талла на поверхности листа при дугоконтактной сварке с пружинной осадкой. Сварку вели с ар- гоновой защитой зоны соединения при расходе газа 15 л/мин во всех экспериментах. Влияние покрытия на шпильке на характерис- тики дуги изучали с помощью цифрового осцил- лографа С9-8. Анализ осциллограмм показывает, что при использовании оцинкованных шпилек напряжение на дуге несколько повышается по сравнению с приваркой непокрытых шпилек из-за интенсивного испарения цинкового покрытия и соответствующего повышения давления в корот- ком дуговом промежутке. Как видно из рис. 1, наименьшую прочность имеют соединения со шпильками без покрытия, а наибольшую при оптимальном времени сварки — оцинкованные шпильки. Хромовое покрытие не дает такой выразительный эффект, как цин- ковое, из-за значительно большей, чем у цинка, температуры испарения. Поэтому основной ме- талл хромированной шпильки плавится еще до испарения покрытия, чем обусловливается увели- чение объема жидкой железной фазы в стыке по сравнению с приваркой оцинкованных шпилек. Вместе с тем при увеличении продолжительности сварки выше оптимальной прочность соединений с хромированными шпильками больше, чем у не- Рис. 1. Зависимость прочности сварных соединений от соста- ва покрытия и продолжительности сварки 8/2013 39 покрытых, поскольку часть тепловой энергии рас- ходуется на испарение хрома, а у оцинкованных ниже из-за того, что цинковое покрытие за это время полностью испаряется, оголяя стальную сердцевину шпильки и приводя к уравниванию прочности соединений оцинкованной и непокры- той шпильки с алюминиевым листом. При продолжительности нагрева, меньше оп- тимальной, роль покрытий становится неощути- мой из-за недостаточного испарения и соответс- твенно снижения эффекта охлаждения стальной основы шпильки. На рис. 2, где представлены микроструктуры соединений, полученных со стальной шпилькой М6 стандартной формы и разными покрытиями, хорошо видна зона термического воздействия (ЗТВ) дуги, уменьшающаяся при переходе от не- покрытой шпильки к хромированной и далее к оцинкованной. Микротвердость, измеренная при нагрузке 50 г, по линии, перпендикулярной поверхности соединений (рис. 3), показывает, что во всех слу- чаях максимальная зафиксированная твердость в 2 раза ниже твердости интерметаллида FeAl3 (9600 МПа [5]). Таким образом, покрытие на привариваемой поверхности шпильки позволяет управлять теп- ловыделением в материал шпильки и получить соединение стальной шпильки с алюминиевым листом, не имеющее хрупкого интерфейса. Од- нако прочность такого соединения не превышает прочность алюминиевого сплава (в наших экс- периментах разрушающее напряжение достигало 800 МПа). Следует заметить, что теплорегулирующие покрытия применяли и ранее, например, алюми- ниевые покрытия при сварке ниобия с цирконием [6]. Однако при этом покрытие играло роль ра- диатора, охлаждающего ЗТВ. Легкоплавкие же гальванические покрытия (цинк, серебро) при сварке стали и алюминия плавлением предназ- начены для улучшения смачиваемости стали алю- минием [7]. Поскольку прочность соединения, как извес- тно, зависит от его площади (при прочих равных условиях), то для обеспечения равнопрочности со- единения у стальной шпильки следует увеличить диаметр привариваемой поверхности пропорци- онально отношению пределов прочности на рас- тяжение стали и алюминия. Принимая прочность стали 08, из которой в основном штампуются шпильки, равной 325 МПа [8], а прочность алю- миниевого сплава АД — 60 МПа [9], получаем коэффициент увеличения диаметра стандартного буртика — 2,3. Учитывая, что в результате осадки шпильки в ванну расплавленного металла на листе вокруг буртика образуется валик, повышающий Рис. 2. Микроструктуры (×200) зоны соединений стальных шпилек М6 с алюминиевым листом толщиной 3 мм с разными покрытиями до сварки: а — без покрытия; б — хромовое; в — цинковое Рис. 3. Распределение микротвердости перпендикулярно плоскости соединения стальной шпильки с алюминиевым листом 40 8/2013 площадь соединения, вычисленный коэффициент увеличения диаметра буртика уменьшили до 2,1. Таким образом, для получения соединения, не ус- тупающего по прочности стальной шпильке М6, которая приваривается к алюминиевому листу, диаметр буртика должен быть увеличен с 7,5 до 16 мм. Приварку шпилек с увеличенным диаметром к легкоплавкому алюминию целесообразно вести с вращением дуги в магнитном поле [10], что уменьшает плотность тепловыделения на листе и соответственно опасность его проплавления. Для этого были изготовлены шпильки с различной формой привариваемой поверхности (рис. 4). Толщину цинкового покрытия, удовлетворяю- щую требованию минимального, но необходимо- го плавления (для устранения неизбежных отк- лонений технологических условий от идеальных, о которых говорилось в начале статьи) стальной основы шпильки, вычисляли с помощью специ- ально разработанной Фортран-программы. Пос- кольку для других металлов, кроме цинка, не были найдены сведения о зависимости теплофизичес- ких характеристик в жидком состоянии от тем- пературы, то расчет был проведен только для цин- кового покрытия. На рис. 5 видно влияние толщины цинкового покрытия на толщину расплавленного металла те- ла шпильки. Понятно, что с повышением про- должительности сварки, связанной с переходом к шпилькам с увеличенным диаметром поверх- ности соединения, толщина покрытия должна воз- растать. Эксперименты по приварке шпилек, показан- ных на рис. 4, проводили на аппарате BMK-16i фирмы «Soyer», толщина цинкового покрытия шпилек составляла 20, 30 и 50 мкм. В соединениях с оцинкованными шпильками, которые имели ленточный выступ, наблюдалось недостаточное заплавление полости под бурти- ком, что, естественно, приводило к слабой проч- ности соединения. Соединение удовлетворитель- ного качества (рис. 6) удалось получить при токе 970 А, напряжении на дуге 22 В, длительности импульса 0,2 с, токе магнитной катушки 1 А, длине дуги (высоте подъема шпильки) 1,5 мм. Выводы 1. Основным условием получения прочного со- единения стальной шпильки с алюминиевым лис- том, в чем нуждаются авто- и судостроение, а также строительная индустрия, является миними- зация образования хрупкого переходного слоя, Рис. 4. Эскизы (а–в) стальных шпилек для при- варки к алюминиевому листу методом корот- кого цикла с вращающейся дугой Рис. 5. Расчетная зависимость толщины расплавленного слоя стали на торце шпильки М6 стандартной формы от толщины нанесенного цинкового покрытия (продолжительность свар- ки 40 мс, сварочный ток 600 А) Рис. 6. Соединение стальной шпильки диаметром 6 мм с алюминиевым листом толщиной 3 мм после испытания на ударный изгиб по ISO 14555 8/2013 41 состоящего из интерметаллидных соединений же- леза и алюминия. Используемые в настоящее вре- мя методы для соединения алюминиевых и сталь- ных деталей основаны на ограничении энергии нагрева стальной детали и соответственно умень- шении содержания железа в ванне жидкого алю- миния. 2. Разработан метод регулирования сварочного нагрева деталей путем нанесения на нагреваемую поверхность слоя металла, имеющего температу- ру испарения меньше температуры плавления ос- новного металла. Для стальной шпильки такими материалами могут быть магний, цинк, кадмий, теллур, а также некоторые сплавы этих металлов. С экономической точки зрения преимущество имеет цинк. 3. Для получения соединения, равнопрочного со стальной шпилькой, диаметр привариваемой поверхности шпильки следует увеличивать до раз- мера не менее чем 2,5 диаметра основного тела шпильки. Такие шпильки должны привариваться методом сварки коротким циклом с магнитным вращением дуги, что позволяет уменьшить глу- бину проплавления алюминиевого листа. 4. Разработана новая форма шпильки, благо- даря чему удалось получить соединения, соответ- ствующие показателям удовлетворительной проч- ности по ISO 14555. Автор выражает глубокую признательность фирме «Soyer» за помощь в проведении заклю- чительной части экспериментов. 1. Калеко Д. М. Дугоконтактная торцевая сварка шпилек и бонок // Сварщик. — 1999. — № 4. — С. 7–8. 2. Калеко Д. М. Современные способы сварки алюминие- вых сплавов со сталями (Обзор) // Автомат. сварка. — 2012. — № 10. — С. 29–36. 3. Калеко Д. М., Моравский В. Э., Чвертко Н. А. Ударная конденсаторная сварка. — Киев: Наук. думка, 1984. — 200 с. 4. Пат. 100452 Україна МКI B23 k 9/20. Шпилька для тор- цевого приварювання / Б. Є. Патон, Д. М. Калеко. — Бюл. № 24, 2012. 5. Вол А. Е. Строение и свойства двойных металлических систем. — М.: Физматгиз, 1959. — 756 с. 6. Использование теплоотводящих алюминиевых покрытий при сварке сплава циркония с 2,5 % ниобия / М. М. Не- роденко, А. Б. Гончаров, В. Ф. Кирилюк, А. Т. Зельни- ченко // Автомат. сварка. — 1987. — № 2. — С. 28–31. 7. Рябов В. Ф. Сварка алюминия и его сплавов с другими металлами. — Киев: Наук. думка, 1983. — 264 с. 8. Марочник стали и сплавов / В. Г. Сорокин, А. В. Воло- синкова, С. А. Вяткин и др. — М.: Машиностроение, 1989. — 640 с. 9. Колачев Б. А., Ливанов В. А., Елагин В. И. Металловеде- ние и термическая обработка цветных металлов и спла- вов. — М.: Металлургия, 1972. — 480 с. 10. Пат. 25037 Україна МКI B23 k 9/20. Спосіб дугоконтак- тного таврового зварювання і пристрій для його здійснення / Д. М. Калеко, В. Н. Бишовець. — Опубл. 25.12.98, Бюл. № 6. Поступила в редакцию 20.05.2013 РАЗРАБОТАНО В ИЭС ТЕХНОЛОГИЯ ПАЙКИ КОНСТРУКЦИЙ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ В ИЭС созданы припои и высокоэффективное оборудование для высокотемпературной пайки ответст- венных конструкций из разнородных материалов. Паяные соединения медь–вольфрам имеют хорошую работоспособность, в том числе под воздействием нейтронного облучения и жесткого термоциклирования. Технология высокотемпературной пайки позволяет создавать тонкостенные решетчатые конструкции, применяемые в системах управления летательных аппаратов. Паяная модель узла дивертора установки термо- ядерного синтеза (соединение медь — вольфрам) Высокоэффективные решетчатые рули ракеты, из- готовленные пайкой в карусельной вакуумной печи 42 8/2013

Приварка стальных шпилек к алюминиевым листам

Репозитарії

Схожі ресурси