Дефекты при точечной и шовной сварке возникают в результате нарушения параметров технологического процесса. Наличие дефектов может резко снизить надеж­ность сварных соединений вплоть до преждевременного разрушения конструкции. Дефекты можно разделить на несколько групп: 1) изменение заданных размеров ядра или полное отсутствие ядра, общего для соединяемых деталей (дефекты типа непроваров); 2) выброс — выплеск расплавленного металла из зоны контактов деталь — де­таль и электрод — деталь; 3) нарушение сплошности металла ядра и околошовной зоны (дефекты типа трещин, раковин и т. д.); 4) интенсивный переход электродного металла на поверхность соединений; 5) существенное изменение структуры и свойств металла ядра и около­шовной зоны.

Непровары проявляются в нескольких формах (рис. 2.36). Наиболее опасен непровар в виде «склейки» (рис. 2.36, б). В этом случае ядро отсутствует и соединение деталей происходит в твердой фазе по ограниченной площади. Небольшие зоны схватывания — островки ме­таллической сзязи — наблюдаются в области отдельных микровыступов, где условия развития пластической де­формации были наиболее благоприятными. Такое соеди-

ДЕФЕКТЫ СОЕДИНЕНИЙ. И ПРИЧИНЫ ИХ ОБРАЗОВАНИЯ

Рис. 2.36. Виды непроваров при точечной и шовной сварке-

а — полное отсутствие соединения; б — непровар в виде склейки; в — малые размеры ядра (dя < ЫОм); е — недостаточный диаметр зоны взаимного расплавления в> р); д — полное отсутствие зоны взаимного расплавления

нение носит «ситовый» характер и по внешнему виду (например по диаметру вмятины) часто не отличается от хорошо сваренной точки. Оно может обладать достаточ­ной прочностью на срез, но быстро разрушается при дей­ствии отрывающих и знакопеременных нагрузок и тем­пературы.

К другим видам непровара следует отнести снижение размеров ядра (рис. 2.36, в) ниже установленных (номи­нальных) значений, а также своеобразный вид непровара, связанный с уменьшением или полным отсутствием общего ядра. Обычно этот дефект наблюдается при наличии на поверхности деталей относительно тугоплавких слоев, например на поверхности жаропрочных металлов окис — ной пленки или толстого слоя плакировки ца поверхности алюминиевых сплавов (рис. 2.36, г и б). Ограниченная зона взаимного расплавления уменьшает рабочее сечение точки и ее прочность.

В ряде случаев, например при деталях неравных толщин, наблюдается смещение литого ядра относительно плоскости контакта деталь—деталь в сторону более массивной детали. При этом могут возникнуть непровары, аналогичные описанным выше.

Общей причиной появления непроваров можно счи­тать различные нарушения характера температурного поля вследствие, например, отклонения энергетических параметров от заданных значений, шунтирования тока и т. д. При отсутствии общего ядра, очевидно, не получают достаточного развития процессы перемешивания и оттес­нения частиц пленки ж границе ядра. Общие рекоменда­ции по устранению этих дефектов: корректировка пара­метров режима (величины тока, сварочного усилия) и проверка соответствия заданным таких параметров про­цесса, как состояние поверхности электродов и деталей, качества сборки и т. д.

Выплески — весьма распространенный дефект сварки. Частицы металла, выброшенные из ядра, могут отрываться от него и, попадая в полость изделия, при­водить к выходу из строя различных агрегатов. Кроме того, выплески снижают стойкость электродов и повы­шают склонность к образованию больших трещин, часто выходящих на поверхность листов. Выплески разделяют обычно на наружные (из зоны контакта электрод—деталь) и внутренние — между деталями (рис. 2.37).

Наружный выплеск обычно связан с перегревом ме­талла в контакте электрод—деталь. В частности, он воз­никает при малых сварочных усилиях, большой плот­ности тока, перекосе деталей, неудовлетворительном со­стоянии поверхности деталей или электродов, из-за шун­тирования тока при односторонней сварке (рис. 2.37, а и г) и т. д.

Внутренний выплеск бывает начальный и конечный. Начальный выплеск, особенно при сварке пластичных металлов, встречается редко. Он образуется до появления расплавленного ядра и связан обычно с перегревом металла в контакте деталь—деталь. Конечный выплеск происходит на конечной стадии процес а плавления. Такой выплеск связан с локальным образованием зазора в уплотняющем пояске за счет сил, возникающих при расплавлении металла (см. рис. 2.32).

При нормальном течении процесса раскрывающийся зазор постоянно заполняется (залечивается) с опреде­ленной скоростью пластически деформируемым металлом, который уплотняет границу жидкого ядра. Если пред­ставить себе окружающий ядро металл абсолютно не­пластичным, то выплеск очевидно неизбежен. Естественно, что между скоростями нагрева и деформации должно быть

ДЕФЕКТЫ СОЕДИНЕНИЙ. И ПРИЧИНЫ ИХ ОБРАЗОВАНИЯ

Рис. 2.37. Виды выплесков:

а — наружный выплесок при перекосе деталей; б — начальный выплеск; в — конечный внутренний выплеск; г — конечный на­ружный выплеск при односторонней сварке

определенное соответствие. Его нарушение — главная при­чина конечного выплеска.

Интенсивность пластической деформации зависит от величины действующих в контакте напряжений и сопро­тивления металла пластической деформации. Вероятность выплеска увеличивается с ростом диаметра ядра и про­плавления, а также размеров контактов, в связи с воз­растанием раскрывающих усилий и уменьшением зна­чения действующих в зоне деформирования напряжений. Для характеристики склонности сплава к конечным выплескам используется понятие о критическом (макси­мальном) диаметре ядра d„ Кп , который можно получить в определенных условиях (/св4в) без выплеска при со­ответствующем увеличении тока (см. рис. 2.21). При этом d„ кр мало зависит от толщины детали.

Чувствительность процесса к рассматриваемому де­фекту зависит от параметров режима — времени сварки, сварочного усилия, состояния поверхности деталей и электродов и сопротивления металла деформации в опре­деленном интервале температур (около 0,5—0,7ТПЛ). Так, например, из алюминиевых сплавов сплав АМгб наиболее склонен к выплеску, так как он отличается высоким сопротивлением деформации при температурах 350— 400° С. Часто также наблюдаются выплески при сварке

ДЕФЕКТЫ СОЕДИНЕНИЙ. И ПРИЧИНЫ ИХ ОБРАЗОВАНИЯ

Рис. 2.38. Критический диаметр ядра при точечной сварке различных сплавов "Ha машинах постоянного тока (f св = 500 кгс, tCB = 0,1 с)

жаропрочных сплавов (рис. 2.38). При неудовлетворитель­ном состоянии поверхности деталей и электродов (высокие значения Rm и /?эд) склонность к конечному выплеску возрастает. Очевидно, в этом случае скорость нагрева (раскрытия зазора) увеличивается, а деформируемый металл не успевает залечивать образовавшийся зазор.

Для облегчения пластической деформации в области уплотняющего пояска и предупреждения конечного вы­плеска целесообразно использовать более мягкие режимы сварки и повышать сварочное усилие (рис. 2.39). Кроме того, склонность к выплеску снижается при наличии пла­кировки или введении между деталями прокладок из мягкого металла (например, алюминия при сварке алю­миниевых сплавов), а также при использовании импуль — сов с плавным_ нарастанием тока. Режим сварки (напри — мер гсв и U стараются выбрать таким образом, чтобы при

5 Б. Д. Орлов 65

произвольном изменении параметров в допустимом диа­пазоне (в частности увеличении 1 и снижении Тсв) диа^ метр ядра был меньше критического. При йя кр 5» (1,2 ч-1,3) ном процесс плавления, как правило, не приводит к конечному выплеску.

Трещины, рыхлоты и усадочные ра­ковины возникают при кристаллизации и охлаждении металла. Температурное поле в условиях точечной и шов­ной сварки отличается значительной неравномерностью.

Подпись:Охлаждение металла в этих условиях приводит к возник­новению растягивающих на­пряжений. Такие напряжения наиболее опасны, так как со­противление металла к образо­ванию трещин при подобном виде нагружения оказывается наименьшим. ,

При контактной сварке воз­никают в основном горячие трещины, их образование проис­ходит в температурном интер­вале хрупкости (ТИХ), соответ­ствующем минимальной пла­стичности сплава. Разрушение металла носит в этом случае межкристаллический характер. Верхняя граница ТИХ близка к температуре ликвидуса и составляет, например, для углеродистых и конструкционных сталей 1200— 1350° С. Обычно с увеличением интервала кристаллиза­ции расширяется область ТИХ и возрастает склонность сплава к образованию трещин.

Поэтому наибольшую чувствительность к горячим тре­щинам обнаруживают легированные алюминиевые Сплавы (Д16, АМгб), особенно при значительной величине про­плавления (объеме расплавленного ядра). По этой же при­чине при сварке углеродистых сталей трещины наблю­даются чаще, чем при соединении низкоуглеродистой стали. С другой стороны, увеличение количества легко­плавкой составляющей сплава (эвтектики) уменьшает вероятность образования трещин за счет увеличения пла­стичности сплава в ТИХ и возможности залечивания (за­полнения) несплошностей жидкостью под действием уси­лия электродов.

В ядре трещины распространяются обычно от центра ядра в радиальном (вдоль оси г) и осевом направлениях ( (оль оси г) вплоть до наружной поверхности детали. Характер трещин в околошовной зоне зависит от положе­ния участка разрушения (рис. 2.40). В области уплотня­ющего пояска трещины расположены под некоторым углом (часто 45°) к поверхности листа. Эго объясняется направлением главных растягивающих напряжений. Вблизи электродов градиент температур по оси г относи­тельно мал (см. рис. 2.20), поэтому наибольшее значение имеют напряжения ог и при недостаточном усилии со стзооны электродов трещины располагаются параллельно поверхности детали.

Подпись:Резкое уменьшение плот­ности литого металла наблю­дается при образовании ко­нечного выплеска, так как в этом случае происходит свое­образное «зависание» элек­трода над деталью и ядро кристаллизуется при весьма малых давлениях. Несплош — НОС’ГИ в околошовной зоне

(«усы») оказываются заполненными легкоплавким спла­вом, обогащенным легирующими элементами, например медью при сварке Д16. Подобное явление связано, оче­видно, с эффектом выдавливания металла расплавленных прослоек, находящихся по границам зерен, в возника­ющую при образовании трещин полость.

В центре ядра наблюдаются также различные рыхлоты усадочного происхождения, связанные с нехваткой ме­талла при кристаллизации. Сварочное усилие или давле­ние оказываются часто недостаточными для пластической деформации и обжатия этих рыхлот. Роль газов, например водорода, в образовании рыхлот в этих условиях весьма ограничена из-за высокого давления в жидком ядре (до нескольких тысяч атмосфер) и большой скорости охлажде­ния, поэтому вероятность нахождения газа в растворен­ном состоянии увеличивается.

Однако наличие больших запасов влаги в поверхност­ной пленке, служащей источником водорода, приводит иногда при сварке с малыми усилиями к появлению рас­сеянной пористости в ядре. Кроме того, при повторном
нагреве соединении и, в частности, при нагреве преды­дущей точки шва, находящейся вне зоны действия сва­рочного усилия, в результате диффузии газов из твер­дого металла в несплошности может происходить разви­тие пористости.

Подпись: влияния на статическую и усталостную прочность соединений. Значительные внутренние напряжения и трещины, выходящие на поверхность, могут суще-ственно снижать предел
Подпись: Рис. 2.42. Область залегания продуктов взаимодействия 1 на поверхности точки (а) и шва (б)

Отмеченные выше несплошности («усы», рыхлоты и т. д.) находятся вне зоны действия концентраторов напряжения

асв напряжения при применении
лишь сварочного усилия; аКОв — на-
пряжения при приложении ковки
в момент времени *к

выносливости. Основные меры борьбы с указанными де­фектами заключаются в создании благоприятного напря­женного состояния металла с низким уровнем растяги­вающих напряжений и даже всесторонним сжатием. Это достигается в первую очередь резким повышением уси­лия на электродах (в 2—3 раза) — проковкой соедине­ния после выключения тока, когда металл находится в ТИХ.

На рис. 2.41 видно, что при охлаждении и кристалли­зации металла происходит быстрый рост растягивающих напряжений ор. Приложение ковочного усилия в момент времени /к позволяет создать в центре ядра сжимающие напряжения осж, а также способствует обжатию несплош — ностей и залечиванию их легкоплавкой составляющей сплава, поступающей из соседних участков металла. В ряде случаев удается избежать образования трещин и

рыхлот, уменьшая скорость охлаждения путем подогрева металла дополнительным импульсом тока.

Взаимодействие разнородных металлов в контакте электрод—деталь приводит, с одной стороны, к загряз­нению рабочей поверхности электрода продуктами взаимо­действия, с другой — к переносу электродного металла на поверхность детали.

Природу указанного процесса удобно рассматривать с точки зрения представлений об образовании соединений в твердой фазе. Формирование физического контакта, активация атомов и возникновение металлических связей (схватывание) происходит в основном в результате раз­вития процессов пластической деформации в области наибольших касательных напряжений (зоне скольжения). Так, например, при точечной сварке часто зона взаимо­действия имеет форму кольца, находящегося внутри вмя­тины (рис. 2.42). Положение этого кольца отвечает наи­большим касательным напряжениям в контакте электрод— деталь (см. рис. 2.35, а). При шовной сварке область йй- тенсивной пластической деформации находится позади ролика (см. рис. 2.35, в), где в наибольшей степени на­блюдается загрязнение поверхности металла.

Участки металлической связи служат каналами, по которым происходит диффузия металлов. Несмотря на малое время контактирования деталей при высокой тем­пературе (в среднем менее 1 с) эти процессы часто полу­чают достаточно большое развитие. Очевидно, отмечае­мый эффект связан с тем, что наряду с процессами гомо­генной диффузии (образования твердых растворов) имеют место процессы гетерогенной диффузии, протекающие с чрезвычайно большой скоростью и сопровождающиеся образованием химических соединений (типа CuA12, Mg2Cu и т. д.).

Особенно большую чувствительность к процессам вза­имодействия обнаруживают алюминиевые и магниевые сплавы, а также стали с легкоплавкими покрытиями, например цинком. Указанное свойство этих металлов связано с возможностью появления жидкой фазы в от­дельных участках контакта с электродом. В частности, температура плавления эвтектики а — Mg2Cu состав­ляет всего 450° С. Наличие жидкой фазы значительно ускоряет процессы диффузии. Активность взаимодей­ствия зависит от свойств поверхностных пленок. Напри — меР» рыхлая толстая пленка с большим запасом адсорби­рованной влаги или термически нестабильные гидроокис — ные пленки (на алюминиевых и магниевых сплавах) способны при нагреве освобождать влагу, что приводит к окислению металлов и росту температуры в контакте.

Загрязнение поверхности электродов и деталей носит, очевидно, монотонный характер. При сварке первой точки количество продуктов взаимодействия на этих поверхно­стях минимально. При сварке последующих точек ширина и глубина зоны взаимодействия в приконтактном слое электрода расширяются, тем самым существенно изменяя его физико-химические свойства. В частности, снижается тепло — и электропроводность металла, что приводит к уменьшению теплоотвода в электроды и резкому уве­личению температуры контакта. Следствием этих процес­сов является монотонное увеличение проплавления дета­лей при сварке сплавов с высокой теплопроводностью вплоть до конечного выплеска.

Включения металла электродов на поверхности дета­лей значительно снижают коррозионную стойкость соеди­нений, особенно выполненных на химическиактивных металлах — алюминиевых и магниевых сплавах, чув­ствительных к коррозии в контакте с электроположитель­ными элементами (с медью).

По аналогии с электродами по мере сварки ряда точек металл в пределах вмятины все более и более насыщается продуктами взаимодействия. Глубина проникновения этих продуктов может достигать нескольких десятых долей миллиметра.

На определенном этапе требуется зачистка рабочей поверхности электрода для удаления продуктов взаимо­действия, причем особенно часто это приходится делать при сварке магниевых сплавов (через 15—20 точек и через один оборот ролика при шовной сварке).

При сварке магниевых и алюминиевых сплавов часто наблюдается своеобразный эффект самоочистки электро­дов. Когда поверхность электродов сильно загрязнена (например, через 30 точек) между электродом и деталью образуется относительно прочная металлическая связь. При подъеме электрода она разрушается, и значительная часть металла с продуктами взаимодействия переходит на деталь, обнажая чистые поверхности электрода. Дан­ные химического анализа подтверждают, что содержание меди на поверхности следующей (например 31-й) точки уменьшается.

В целях снижения интенсивности взаимодействия це­лесообразно уменьшить температуру поверхности и время контактирования путем, например, применения жестких режимов сварки, контроля за состоянием поверхности де­талей и хорошего охлаждения электродов. К оригиналь­ным методам следует отнести введение смазывающих ве­ществ (масел) в контакт электрод—деталь. Это затрудняет образование физического контакта и металлической связи между рассматриваемыми телами.

Подпись:Подпись:Изменение структуры и свойств металла ядра и око — лошовной зоны вызывается термомеханическим воздей­ствием на металл соедине­ний. Литой металл ядра отли­чается относительно низкой пластичностью, особенно при сварке металлов, чувстви­тельных к термическому цик­лу, например конструкцион­ных закаливающихся сталей.

Помимо этого, при преиму­щественно дендритной кри­сталлизации металла в центре ядра скапливаются (лнкви — руют) легкоплавкие сплавы, отличающиеся повышенной хрупкостью. Указанная не­равномерность состава ядра с трудом выравнивается при последующей термообработке. Однако в большинстве случаев разрушение соединения происходит по металлу околошовной зоны, что в значительной степени снижает влияние свойств литого металла ядра на прочность сварного шва.

В околошовной зоне могут наблюдаться изменения исходной структуры и свойств сплава в результате раз­вития ряда процессов, связанных с термическим циклом сварки: закалки, оплавления легкоплавких составляющих по границам зерен (эвтектик), отпуска, рекристаллизации и т. п. При соединении низкоуглеродистой стали в зоне 2 (рис. 2.43), непосредственно примыкающей к ядру 1, наблюдается оплавление границ зерен (пережог металла). Далее расположена зона перегрева, отличающаяся круп­нозернистым строением и участками оплавления границ
зерен аустенита (зона 3, рис. 2.43). В участках, которые были нагреты выше Ас3 (зоны 3—5), иногда обнаружи­ваются включения мартенсита, образующегося в резуль­тате быстрого охлаждения и торможения диффузии угле­рода. Для околошовной зоны характерно некоторое уве­личение исходного зерна (зона 6), что может привести

Подпись:к заметному снижению пла­стичности соединения, осо­бенно при сварке холоднока­таной (наклепанной) стали.

ДЕФЕКТЫ СОЕДИНЕНИЙ. И ПРИЧИНЫ ИХ ОБРАЗОВАНИЯ

Рис. 2.45. Характер структурных изменений при сварке легирован­ных алюминиевых сплавов:

I — лнтая структура ядра; 2 — зона частичного оплавления границ зерен; 3 — зона частичной закалки; 4 — зона отжига; 5 — исходная структура ме­талла

Подпись:Сварка закаливающихся сталей сопровождается бо­лее глубокими изменениями свойств металла и, в первую очередь, его пластичности. При сварке закаленной и отпущенной стали в околошов­ной зоне отмечаются участки мартенсита (рис. 2.44), от­личающиеся малой пластичностью и небольшим сопро­тивлением образованию трещин.

При соединении высоколегированных, термически упрочняемых алюминиевых и магниевых сплавов возни­кает опасность оплавления легкоплавких составляющих, расположенных по границам зерен (рис. 2.45), и снижения пластичности сварных соединений.

Сплавы, не упрочняемые термообработкой, например сплавы АМгб и МА2-1 склонны к рекристаллизации и

укрупнению зерна, что может сказаться на снятии эффекта нагартовки и снижении прочности соединений.

Аустенитные стали, не стабилизированные введением карбидообразующих элементов (титана или ниобия), чув­ствительны к обеднению границ зерен хромом, что имеет связь с диффузией углерода к границе зерна и образова­нию на этих границах карбидов хрома. Подобное изме­нение состава может привести к межкрист ал л итной кор­розии. Однако заметное обеднение границ наблюдается при пребывании металла в интервале температур 550— 700° С свыше 1 мин.

Степень развития указанных выше процессов можно в значительной мере регулировать за счет режимов сварки. В частности, процессы рекристаллизации, выпадения (растворения) составляющих сплава и т. д., контролируе­мые диффузией, легко подавляются при применении жестких режимов сварки. Склонность к закалке может быть снижена при использовании многоимпульсных режи­мов, замедляющих скорость охлаждения.

Ширина зоны термомеханического влияния при то­чечной и шовной сварке весьма ограничена (иногда менее 1 мм), по сравнению с шириной этой зоны при других ме­тодах сварки в жидкой фазе, например при дуговой, вследствие относительно малой длительности нагрева. Благоприятное влияние на свойства металла околошов — ной зоны оказывает в ряде случаев усилие сжатия и пла­стическая деформация, которая приводит к измельчению хрупких прослоек по границам зерен и снижению уровня растягивающих напряжений. Поэтому, как правило, свар­ные узлы, выполненные точечной и шовной сваркой, не нуждаются в последующей термообработке.

Глава З