CC BY
101
УДК 621.791.763.1 С.Н. Емельянов
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ КОНТАКТНОЙ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ ЦИНКРОМЕТАЛЛА
Определены основные параметры режима и типы электродных устройств для контактной точечной сварки цинкрометалла, обеспечивающие повышение стабильности процесса сварки, увеличение циклической прочности соединений и срока службы электродов.
В последнее время в отечественной и зарубежной промышленности, особенно в автомобилестроении, все шире применяются стали с защитными покрытиями. Разрабатываются новые типы защитных антикоррозионных покрытий. Это вызвано повышенным требованием потребителей к коррозионной стойкости изделий. Обладая явными преимуществами, стали с защитными покрытиями создают определенные трудности при выборе параметров режима их сварки [1].
Сталь с защитным покрытием на основе цинка - цинкрометалл (2ШСК0МЕТАЬ) -широко применяется в автомобилестроении России и стран Западной Европы. Цинкрометалл имеет толщину слоя покрытия 12.. .25 мкм и представляет собой композицию из трех составляющих (рис. 1). Методы нанесения этих покрытий являются промышленным приоритетом фирмы «Тиссен Форшунг» (Германия).
Рис. 1. Металлическая пластина с защитными покрытиями: 1 - цинкромет (раствор цинка в эпоксидной смоле) толщиной 10.20 мкм; дакромет (дисперсия цинка в водном растворе хромовой кислоты) толщиной 2.5 мкм; 3 - основной металл (холоднокатаный лист из стали БИ4)
Выбор параметров режима контактной точечной сварки сталей с цинковым покрытием был проведен с учетом его теплофизических характеристик и толщины слоя. Определяющими факторами являлись электропроводность, предел текучести и температура плавления материала покрытия. При нагреве сварочным током легкоплавкое цинковое покрытие и эпоксидная смола расплавляются при относительно низкой температуре и частично выдавливаются из зоны контактов электрод-деталь и деталь-деталь, что приводит к изменению контактных сопротивлений и увеличению площади контакта. В процессе сварки поверхность электродов загрязняется путем массопереноса покрытия на рабочую поверхность электрода, что влечет за собой постепенное повышение контактных сопротивлений и температуры в зоне электрод-деталь на последующих циклах сварки. Описанные выше процессы влияют на процесс формирования сварного точечного соединения и, как следствие, на его прочностные и антикоррозионные характеристики.
Нами проведены исследования процесса точечной сварки цинкрометалла толщиной 0,9 мм. Измерения холодного сопротивления участка электрод-электрод показали его зависимость от усилия сжатия. При увеличении усилия сжатия наблюдается снижение сопротивления участка электрод-электрод. Его стабилизация наступает при удельных давлениях 170.190 МПа. При таких удельных давлениях небольшие колебания усилия сжатия, которые могут возникнуть в процессе сварки, не отражаются на качестве получаемых сварных соединений.
Более высокой стабильности сопротивлений участка электрод-электрод можно добиться применением импульса тока подогрева, который проходит через зону сварки перед пропусканием сварочного тока.
Для выбора параметров режима контактной точечной сварки цинкрометалла нами определены диапазоны допустимых минимальных и максимальных значений сварочного тока и времени его протекания (рис. 2). Верхние значения этих параметров определяются границей зоны появления выплесков расплавленного металла, а нижние ограничены минимальным диаметром точки ёя = 5,5 \/^, где 8 - толщина свариваемого листа.
■ ж—1 1—1
\ \ V—
к \ \ \
1—
5 6 7 8 9 кА 11
1св --------►
Рис. 2. Диапазоны сварочного тока и времени его протекания: 1 - цинкрометалл; 2 - сталь 8И4
На основании проведенных исследований предложены два варианта режима сварки, обеспечивающие получение качественного сварного соединения. При одноим-пульсном режиме применяется максимально допустимое значение сварочного тока и малое время его протекания. Для двухимпульсного режима величина и время протекания тока подогрева выбирались такими, чтобы покрытие нагрелось до температуры 200.300 °С и выдавилось из зоны контакта электрод-деталь и деталь-деталь. При прохождении импульса сварочного тока происходит образование литого ядра сварной точки при стабильных контактных сопротивлениях участка электрод-электрод при удельном давлении 170. 190 МПа. Для двух режимов рекомендована выдержка ковочного усилия до момента охлаждения сварного соединения до температуры 300 °С. Выбор варианта режима сварки определяется возможностями используемого сварочного оборудования.
С увеличением количества сваренных точек изменяются величина сварочного тока и их диаметр (рис. 3). После постановки 4000.5000 точек одной парой электродов процесс формирования сварной точки становится нестабильным, при этом уменьшается диаметр точки, происходит образование точек овальной формы, снижается глубина проплавления. Рабочая поверхность электродов подвергается повышенному износу, поэтому невозможно сохранить постоянство плотности тока в контакте без его увели-
60
чения. Эксперименты показали, что для получения требуемого диаметра точки необходимо корректировать величину сварочного тока 1св (рис. 4).
Рис. 3. Зависимость диаметра точки от количества сваренных точек
Рис. 4. Корректировка сварочного тока в зависимости от количества сваренных точек
Были проведены испытания на стойкость электродов различных типов из БрХ0,7 в зависимости от формы их рабочей части (рис. 5). Стойкость электродов определялась числом сварены х точек требуемого диаметра без их зачистки и корректировки параметров режима сварки.
а)
б)
Ч.
Я8
Рис. 5. Форма рабочих частей электродов
0
На рис. 6 представлены результаты испытаний на износостойкость электродов (см. рис. 5).
Основные параметры режима контактной точечной сварки цинкрометалла представлены в табл. 1.
Исследования микроструктуры и испытания на срез сварных соединений, выполненных на рекомендуемых режимах, показали, что размеры сварных точек соответствуют требованиям ГОСТ 15878-79. В околоточечной зоне зазор между листами заполняется цинком и эпоксидом, что благоприятно отражается на коррозионной стойкости и прочности сварного соединения, т.к. вершина зазора между листами является сильным концентратором при коррозионном разрушении. Для повышения коррозионной стойкости соединений с наружной стороны необходимо проведение дополнительной операции, например окраски.
Прочностные испытания сварных соединений, выполненных на приведенных в табл. 1 режимах, проводились на образцах по методике, описанной в [2, 3]. Результаты испытаний показали, что предел выносливости сварных соединений, выполненных на
рекомендуемых режимах, составляет более 40 МПа на базе нагружения 2 • 106 циклов. Кроме того, выявлено благоприятное воздействие тока подогрева на циклическую прочность соединений. Предел выносливости образцов, сваренных на двухимпульсном режиме, увеличился на 30 % (рис. 7).
6000 -1
5000
£ 4000 ---------------------------------------
0
1 3000 ------1-------1--------- ----
о
О 2000 --------- ---------- ----
1000 ------- ----------------- -----------
0
Тип электрода
Рис. 6. Влияние геометрии рабочей части электродов на износостойкость
Табл. 1. Основные параметры режима сварки
Режим Параметры режима
Толщина металла, мм Ток подог- рева, кА Сва- рочный ток, кА Время подог- рева, с Время сварки, с Пауза между импульсами тока, с Время выдержки усилия, с Усилие сжа- тия, кН Диаметр сварной точки, мм
Двухимпульс-ный с подогревом 0,9 5 9 0,2 0,14 0,3 0,5 2.3 5
Одноимпульс- ный 0,9 0 10 0 0,14 0 0,5 ,5 3, ,0 5
100000 200000 300000 400000 500000 600000 1000000 2000000 3000000
N-----------►
Рис. 7. Кривые выносливости сварных образцов
Выводы
1. При точечной сварке цинкрометалла качественные сварные соединения обеспечиваются при удельных давлениях 150.170 МПА.
2. Для сварки цинкрометалла в массовом производстве рекомендуется электрод с цилиндрической рабочей частью, обеспечивающий получение 5000 сваренных точек до его замены.
3. Результаты усталостных испытаний образцов показали более высокую работоспособность соединений, выполненных на двухимпульсном режиме с предварительным подогревом зоны сварки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пиетрас, А Точечная сварка оцинкованных листовых материалов в серийном производстве / А. Пиетрас, Х. Папкала // Сварка и родственные технологии. Мировой опыт и достижения: материалы II междунар. симп. - Мн., 2001. - С. 63-71.
2. Березиенко, В. П. Совершенствование технологии контактной точечной и рельефной сварки / В. П. Березиенко, В. А. Попковский, С. Ф. Мельников. - Мн. : Выш. шк., 1990. - 120 с.
3. Березиенко, В. П. Сопротивление усталости точечных сварных соединений из низкоуглеродистой стали / В. П. Березиенко [и др.] // Автоматическая сварка. - 1991. - № 9. - С. 13-14, 18.
Белорусско-Российский университет Материал поступил 22.11.2005
S.N. Emelyanov
Features of contact spot welding technology of «Zincrometal»
Belarusian-Russian University
Has been developed the technique of the resistance spot welding and the types of welding electrodes for coated steel sheets «ZINCROMETAL», provides increasing the stability of welding process, fatigue strength and longlife application of welding electrode.
