Исправление дефектов контактной сварки технологически обычно сложно и трудоемко. Точечная или шовная сварка по ранее сваренному месту возможна, но выполняется редко и на особо подобранных режимах. При этом способе исправления обычно трудно обеспечить соосность соединений. Чаще дефектную точку или шов исправляют сваркой дополнительных точек или наложением параллельного сварного шва. Исправление дефектного соединения способами сварки плавлением или пайкой почти всегда возможно, но трудоемко.

Глубокие вмятины на лицевых поверхностях исправляют пайкой или заполняют их пластмассой, используя способ напыления. Дефекты стыковой сварки обычно невозможно исправить. При сварке кольцевых деталей иногда разрушают дефектное соединение и сваривают детали вновь.

Допустимость дефектов и необходимость их исправления зависит от степени ответственности данного соединения сварного узла (изделия) и указывается в ТУ и действующих технологических инструкциях по сварке. В зависимости от вида, расположения и размера дефекта его исправляют повторной точечной или шовной сваркой; обработкой резанием дефектного места и последующей газовой или дуговой электросваркой в среде защитных газов; сверлением отверстий и постановкой заклепок; зачисткой поверхности сварных швов; термической обработкой сварного узла. Дефекты сварных узлов (изменение формы и размеров) исправляют путем местного нагрева, постановки «холостых точек», прокаткой между стальными роликами, а также правкой ударом и обжатием.

Для своевременного предупреждения образования дефектов необходимо контролировать операции технологического процесса, предшествующие сварке: подготовку формы и поверхности деталей, сборку и прихватку. Контроль подготовки поверхности особенно важен при точечной сварке легких сплавов. Его выполняют измерением сопротивления холодных деталей, совмещенных, как при сварке, и сжатых заданным усилием.

Технологический процесс изготовления сварных конструкций

Высокое качество сварных изделий обеспечивается совокупностью всех конструктивных и технологических решений, начиная от эскизного проектирования деталей и кончая контролем технологического процесса. Новый технологический процесс создается на основе чертежа деталей (с указанием материала, размеров и формы, типов соединений); технических условий на изготовление узла (с требованиями, предъявляемыми к материалу, оборудованию, технологическому процессу); программы выпуска (с указанием количества выпускаемых изделий в год).

Выбор способа сварки

При проектировании сварной конструкции должна проводиться тщательная оценка технологичности изделия. Она включает правильный выбор материала, размеров и формы деталей, рациональные способы изготовления, сборки, сварки узла, а также ряд других операций с установлением качества и точности выполнения и основное оборудование, приспособления и т. п.

Правильный выбор материала оказывает непосредственное влияние на качество и экономичность сварного узла. Наряду с высокими эксплуатационными характеристиками материал должен иметь хорошие технологические свойства: штампуемость, свариваемость и др.

Точечной и шовной сваркой чаще всего соединяют детали толщиной 0,5…6 мм. Однако нижний предел (в микросварке) может доходить до 2 мкм, а верхний — до 30 мм. Толщина свариваемых деталей может быть одинаковой или различной (при соотношении толщин до 1:5, а в микросварке,— до 1:100 и более). Материал деталей может быть одноименным и разноименным (особенно в микросварке). Если герметичность не требуется, то применяют точечную сварку. Прочноплотные соединения выполняют шовной сваркой. При изготовлении емкости внутренние ребра выбирают тоньше обшивки для предупреждения разгерметизации при случайном разрушении точки.

Чаще применяют двустороннюю сварку, однако при ограниченном доступе к месту сварки — одностороннюю. Для повышения производительности и уменьшения коробления используют многоточечную сварку. Для создания слоев со специальными свойствами или для ремонта изношенных деталей применяют электроконтактную приварку присадочного металла.

При проектировании сварной конструкции важно обеспечить удобный подход электродов к месту сварки, чтобы детали могли быть сварены на стандартном оборудовании прямыми электродами. Форма и размеры узлов для точечной, шовной и рельефной сварки весьма разнообразны: от простых плоских панелей до сложных пространственных конструкций (рис. 3.1). Наиболее технологичны узлы открытого типа (рис. 3.1, а). Менее технологичны узлы полузакрытого типа (рис. 3.1, б), ухудшающие доступ к деталям одного из электродов. Наименее технологичны узлы закрытого типа (рис. 3.1, в): узлы коробчатой формы с внутренними швами, закрытые панели малой высоты и т. п. Детали для точечной и шовной сварки обычно изготовляют из листов и профилей. Выбор способа сварки обусловлен толщиной и материалом деталей, конструкцией узла, требованиями к качеству соединений, характером конкретного производства.

Применение рельефной сварки позволяет увеличить производительность (одновременная постановка группы точек, соединение по всему контуру), уменьшить величину нахлестки и массу узлов (из-за ограничения области разогрева и пластической деформации), повысить стойкость электродов (вследствие увеличения размеров их рабочей поверхности), устранить разметку.

Значительное распространение получила рельефная сварка с формированием рельефа за счет сопряжения различных по форме деталей: винта, проволоки с листом (рис. 3.2, а, б), острой грани гайки или штуцера с листом (контурная сварка, рис. 3.2, в, г), двух труб (Т - образная сварка, рис. 3.2, д),. Иногда рельефы изготавливают отдельно в виде колец, шайб, шариков и т. п.

Стыковую сварку широко используют в промышленности
(рис. 3.3) для изготовления длинномерных изделий из проката, сложных деталей из простых заготовок и деталей замкнутой формы в целях экономии легированных сталей (режущий инструмент, клапаны двигателей и др.), в строительстве (профили, трубы, рельсы и др.).

Способ стыковой сварки выбирается в зависимости от формы и сечения деталей, марки металла, требований к качеству соединений.

Стыковая сварка сопротивлением в связи с невысокой прочностью соединений (трудности удаления оксидов), необходимостью применения повышенной электрической мощности (высокая средняя плотность тока) и большими затратами труда на подготовку торцов имеет относительно ограниченное применение.

Сваркой сопротивлением обычно соединяют детали небольшого, как правило круглого сечения (не более 200 мм²) из низкоуглеродистых сталей, а также алюминия и меди (до 100 мм²). Детали большего сечения сваривают по схеме принудительного формирования или в среде защитных газов.

Наиболее широко применяют сварку непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом. Сварка оплавлением обеспечивает высокое качество соединений при меньших затратах электрической мощности и трудоемкости на досварочные операции.

Непрерывным оплавлением сваривают детали с компактным сечением до 1000 мм² (из низкоутлеродистой стали) и детали несколько большего сечения с развитым периметром (трубы, листы и др.).

Область рационального применения сварки непрерывным оплавлением ограничивается сечениями 500…10 000 мм². При больших сечениях неравномерность нагрева по сечению приводит к снижению стабильности качества соединений. Кроме того, резко возрастает необходимая мощность оборудования.

Детали с площадью сечения 5 000…40 000 мм² сваривают непрерывным оплавлением на машинах с программным управлением напряжением сварочного трансформатора и скоростью подачи подвижного зажима.

Высокой эффективностью обладает способ стыковой сварки импульсным оплавлением, который позволяет сваривать стальные заготовки сечением до 200 000 мм² и получать качественные соединения из различных трудносвариваемых металлов.

3.2. Выбор рациональной конструкции деталей и элементов
соединений

При точечной, шовной и рельефной сварке в понятие «оптимальные размеры соединения» входит несколько измеряемых величин, называемых конструктивными элементам соединения (рис. 3.4). Они стандартизованы по ГОСТ 15878-79 для соединений двух групп — А и Б. Группу устанавливают при проектировании узла в зависимости от требований, предъявляемых к сварной конструкции и исходя из особенностей технологического процесса. Соединения группы А имеют более высокие прочностные характеристики.

Основными конструктивными элементами являются расчетный (минимальный) диаметр ядра (для точечной и рельефной сварки) и ширина литой зоны (для шовной сварки). Их измеряют в плоскости сопряжения деталей и обозначают d для обоих случаев сварки (рис. 3.4, I). Эти размеры устанавливают из условия получения необходимой и стабильной прочности, герметичности шва при минимальной нахлестке. Фактический диаметр в узлах должен быть не меньше указанного ГОСТе.

Максимальные размеры ядра ограничивают из-за возможности появления различных дефектов, снижения стойкости электродов, устанавливая верхние пределы на 15…25 % больше минимально допустимых (при толщине деталей s > 0,5 мм). Приближенно при толщине деталей s > 0,5 мм минимальный диаметр литого ядра для соединений группы А можно определить по эмпирической формуле:

d = 2 s + (2…3 мм).                                   (3.1)

Более точные его значения, учитывающие уменьшение отношения
d / s с ростом толщины, описываются формулой

d = 4 s^2/3.                                            (3.2)

Другими конструктивными элементами сединений являются величина проплавления, глубина вмятины от электрода, расстояние между центрами соседних точек в ряду (шаг), величина перекрытия литых зон (при шовной сварке), расстояние от центра точки до края нахлестки, между осями соседних рядов точек и др.

Величина проплавления h (h₁) в большинстве случаев должна находиться в пределах 20…80 % от толщины детали. Ее измеряют отдельно для каждой детали. Минимальные значения соответствуют проплавлению тонкой детали при сварке деталей неравной толщины. На титановых сплавах верхний предел проплавления увеличивают до 95 %, а на магниевых — наоборот, уменьшают до 70 %.

Глубина вмятины g (g_l) не должна превышать 20 % толщины детали, однако при сварке деталей неравной толщины и труднодоступных местах она может достигать 30 %. При микросварке глубина обычно не превышает нескольких процентов. Глухие вмятины ухудшают внешний вид и обычно уменьшают прочность точек.

Минимальное расстояние между центрами соседних точек в ряду или шаг t _ш устанавливают из условия незначительного шунтирования тока при сохранении высокой прочности шва.

Величина перекрытия литых зон герметичного шва должна составлять не менее 25 % длины литой зоны (рис. 3.4, II).

Минимальная величина нахлестки В —это наименьшая ширина сопрягаемой части соединяемых деталей без радиуса закругления соседних элементов (стенки, полки). При r < 2s в нахлестку включают не только радиус, но и толщину стенки.

Расстояние от центра точки или оси шва до края нахлестки u должно быть не менее 0,5В. Расстояние между осями соседних рядов с выбирают на 20 % больше, чем t _ш.

Абсолютные размеры конструктивных элементов возрастают с увеличением толщины деталей. Некоторые из них (В, h) зависят и от материала; размеры t _ш, u, с также косвенно связаны с материалом деталей, так как из конструктивных соображений при изменении В меняют и эти величины. Например, при сварке легированных сталей несколько уменьшают t _ш, однако это не связано с меньшим шунтированием тока через соседнюю точку. Действительно, при уменьшении электропроводимости возрастают как сопротивление шунтирующей цепи, так и сопротивление зоны сварки. Условия шунтирования остаются практически постоянными. Величины В, t _ш, u, с, кроме того, зависят от соотношения толщины свариваемых деталей: при s/s₁ > 2 их увеличивают на 20…30%. Вообще при сварке деталей неравной толщины конструктивные элементы соединения выбирают по более тонкой детали.

Высокий современный технический уровень машин и надежность аппаратуры позволяют в ряде случаев (при s < 3 мм) уменьшать d (на 22…33 %) и получать соединения, которые относят к группе Б. Для сохранения высокой прочности узла увеличивают число точек в ряду, уменьшая t _ш. При эксплуатации точки работают равномернее, с меньшей концентрацией напряжений; усталостные трещины несколько локализуются, замедляется их развитие. Из-за уменьшения В снижается масса соединений. Однако возрастают требования к точности изготовления деталей, сборки, подготовки поверхности, стабильности работы машин.

Торцы деталей, подлежащие стыковой сварке, должны быть рационально сконструированы. Во-первых, необходимо создать условия для равномерного нагрева и по возможности одинаковой пластической деформации при осадке (рис. 3.5, 3.6). Во-вторых (особенно при сварке сопротивлением), обеспечить защиту торцов от окисления и облегчить вытеснение окисленного металла из рабочей зоны шва (рис. 3.5). В-третьих, форма деталей должна обеспечить надежное закрепление их в зажимах сварочной машины и токоподвод вблизи зоны сварки. Форму и размеры сечения торцов заготовок следует выполнять примерно одинаковыми. Различие в диаметрах не должно превышать 15 %, а по толщине — 10 %.

Подготовка деталей к сварке заключается в получении определенной формы торцов, очистке их поверхности и поверхности деталей, правильной установке торцов перед началом сварки. Торцы деталей получают механической резкой на ножницах, пилах, металлорежущих станках, горячей или холодной высадкой на прессах, а также с помощью плазменной и газовой резки с последующим удалением шлака.

Токоподводящие участки деталей и торцов очищают различными механическими способами и травлением.

При сварке сопротивлением (вследствие трудности обновления поверхности) требуется более тщательная установка деталей при сборке, чем при сварке оплавлением. Так, зазор между торцами при сварке сопротивлением не допускается более 0,5 мм. При сварке оплавлением он может быть большим (до 15 % Δ_опл). При сварке развитых сечений требования к качеству сборки, в частности, к взаимной параллельности торцовых поверхностей деталей, ужесточаются.

3.3. Общая схема технологического процесса изготовления
сварных узлов

Точечной и шовной сваркой обычно соединяют детали в узлы (секции), затем их собирают между собой различными способами. Такая организация производства позволяет эффективно использовать высокопроизводительные способы сборки и сварки, повышать уровень механизации и автоматизации, качество соединений, расширять фронт работы и снижать себестоимость продукции.

Разработку технологического процесса начинают еще на стадиях проектирования новой конструкции созданием директивной технологии, а затем рабочего технологического процесса (маршрутной технологии и операционных карт).

Типовой технологический процесс производства сварных узлов состоит из ряда основных операций в определенной последовательности: изготовление деталей, подготовка свариваемых поверхностей, сборка, прихватка, сварка, правка и механическая обработка, антикоррозионная защита, контроль. Этот процесс корректируют в зависимости от масштаба производства, степени взаимозаменяемости деталей, материала, размеров, формы и ответственности узлов, а также особенностей производства: исключают, добавляют или меняют последовательность операций.

Изготовление деталей

Качество изготовляемых деталей непосредственно влияет на трудоемкость и качество сборки, прихватки, сварки. В большинстве случаев увеличенные зазоры и плохое сопряжение деталей возникают именно из-за низкой точности их изготовления.

Заготовки из листа вырезают на гильотинных, дисковых, вибрационных ножницах, в штампах, газовым пламенем, плазменной струей. Для автоматического раскроя листов из титановых сплавов, жаропрочных сталей применяют лазеры. Профили разрезают на пресс-ножницах, пилами.

Формообразование деталей выполняют обычно холодной деформацией: гибкой во вращающихся валках, свободной гибкой, обтяжкой, вытяжкой, выдавливанием, штамповкой. Хрупкие металлы деформируют с подогревом. Особо крупные тонкостенные детали (днища, оболочки) изготовляют высокоскоростной обработкой, например, взрывом.

Подготовка поверхности

Цель этой операции — удаление исходных толстых, неравномерных по свойствам поверхностных пленок. В результате повторного окисления возникают новые пленки — тонкие с малым и стабильным контактным сопротивлением.

Способы подготовки поверхности различны. В наиболее полном виде они включают несколько последовательных операций: обезжиривание, удаление исходных, в основном оксидных, пленок, пассивирование, нейтрализацию, промывку, сушку, контроль.

Обезжиривание служит для удаления загрязнений, масла, маркировочной краски протиркой растворителями либо в ваннах различного состава: содовых растворах (для легированных сталей и титановых сплавов), щелочных растворах (для алюминиевых и магниевых сплавов). С целью ускорения процесса, в ванну иногда вводят ультразвуковые колебания. В автомобильной промышленности холоднокатаную сталь сваривают часто вообще без подготовки поверхности (тонкий слой масла мало влияет на формирование точек); латуни — после обезжиривания.

Удаление оксидных пленок — трудоемкая операция, так как оксиды химически связаны с металлом. Обычно их удаляют механической обработкой или химическим травлением.

Механическую подготовку проводят дробеструйной обработкой или металлическими щетками. Дробеструйную обработку применяют главным образом для стальных деталей с толстой оксидной пленкой (после термообработки, горячей деформации и т.д.) или с особыми поверхностными слоями; для титановых сплавов — с окалиной TiО₂, реже для других металлов. Дробь изготовляют в виде частиц отбеленного чугуна, мелконарезанной стальной проволоки, а для алюминиевых сплавов — стеклянных шариков.

Зачистку вращающимися щетками используют для деталей из любых металлов, но чаще из сталей (в том числе жаропрочных, высокопрочных) при малых масштабах производства.

Иногда механическую обработку применяют для алюминиевых и магниевых сплавов. Однако во избежание глубокого повреждения металла ограничивают силу прижатия вращающихся щеток, лимитируют диаметр и длину проволочек (не более 0,2 мм и не менее 40 мм соответственно). Такая зачистка поверхности активизирует повторное окисление, поэтому в зависимости от условий хранения детали из алюминиевых и магниевых сплавов должны быть сварены не позднее чем через 5… 20 ч после обработки.

Химическое травление находит широкое применение как в единичном, так и массовом производстве практически для любых металлов. После такой обработки возникает более равномерная и менее активная пленка. Появляется возможность управлять ее свойствами и скоростью последующего роста.

Химическое травление осуществляют в щелочных и кислотных растворах с различными добавками для регулирования скорости травления, улучшения взаимодействия с поверхностью деталей, пассивирования поверхности (табл. 3.1). Наиболее тщательно обрабатывают поверхность алюминиевых и магниевых сплавов при производстве летательных аппаратов в авиационной и космической промышленности.

Таблица 3.1