Конструкционная сварка

Конструкционной сваркой соединяют антенные мачты, зеркала радиотеле­скопов, каркасы, стойки, шасси, вол­новоды, кожухи аппаратуры, изготов­ленные из стали, алюминиевых, тита­новых и медных сплавов. Сварные конструкции, обладая всеми необхо­димыми эксплуатационными качест­вами, должны быть изготовлены с минимальной трудоемкостью, экономич­ным расходом материалов и высокой стабильностью качества.

Надежность сварной конструкции во многом зависит от свариваемости материала. Понятие свариваемости — комплексное, оно зависит от пригод­ности материала к сварке, технологи­ческих условий сварки и в свою оче­редь определяет надежность сварной конструкции (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Взаимосвязь факторов сварки.

В радиоэлектронике при изготовле­нии элементов конструкций применя­ют разнообразные черные и цветные металлы, каждый из которых характе­ризуется определенной способностью к сварке. Свариваемость – это свой­ство материала в однородной или раз­нородной системе под воздействием активирующей энергии обеспечивать надежное сварное соединение.

Свариваемость сталей зависит от хи­мического состава, структуры, темпе­ратуры и интервала плавления, склон­ности к поглощению газов. С увели­чением степени легирования (особен­но углеродом) растет их чувствитель­ность к нагреву, увеличивается опас­ность возникновения трещин в шве. Поэтому критерием свариваемости сталей является эквивалентное содер­жание углерода:

где С, Mn, Si, Ni, Cr, Mo, V – хими­ческие элементы.

В зависимости от эквивалентного со­держания углерода различают группы сталей по свариваемости (табл. 8.3).

Таблица 3. Свариваемость сталей.

Свариваемость алюминия и его спла­вов определяется их высокими тепло­проводностью, термическим расшире­нием, сродством к кислороду, туго­плавкостью оксидной пленки и фазо­выми превращениями при сварке, приводящими к охрупчиванию при 350 – 400°С. Травление деталей перед сваркой и защита жидкой ванны от контакта с атмосферой обеспечивают отсутствие пор при сварке чистого алюминия и литейных сплавов. Мас­сивные детали перед сваркой подогре­вают до 200–400 °С. Сварные соеди­нения из дюралюминов (термически упрочняемых сплавов) склонны к об­разованию трещин, поэтому их под­вергают естественному (5–10 сут) или искусственному (200°С, 2–10 ч) ста­рению.

Свариваемость меди определяется ее повышенной жидкотекучестью, теплопроводностью и химической ак­тивностью, наличием примесей свинца, кислорода, серы, висмута, которые не растворяются в ней. Нагревание меди до температуры выше 400°С приводит к интенсивному окислению металла и его примесей, расплавлен­ный металл хорошо растворяет газы, особенно водород с образованием па­ров воды. Пары воды при нагревании создают большое давление, под дейст­вием которого образуется сеть микро­трещин и пор (водородная болезнь). Поэтому для изготовления сварных конструкций применяют специальную раскисленную медь, в которой нет ки­слородных включений. Медь и ее сплавы соединяют газовой, дуговой или контактной сваркой.

Свариваемость разнородных метал­лов определяется их диаграммой со­стояния, разницей значений коэффи­циента линейного теплового расшире­ния, упругостью паров, температурой плавления и другими характеристика­ми. Наилучшей свариваемостью при прочих равных условиях обладают металлы с полной взаимной растворимо­стью. При сварке металлов, образую­щих хрупкие интерметаллиды, необхо­димо ограничивать время существова­ния жидкой фазы и ее температуру. Для преодоления трудностей, связан­ных со сваркой разнородных метал­лов, применяют биметаллические пе­реходники, компенси-рующие или барьерные прокладки.

На качество сварных соединений оказывают влияние не только пра­вильный выбор материалов, разработ­ка оптимального варианта ТП, но и особенности конструкции соединения и всего изделия. Основные требова­ния, предъявляемые к конструкции, следующие:

– расположение деталей должно обеспечивать свободный дос­туп инструмента в зону соединения;

– швы в изделии рекомендуется рас­полагать таким образом, чтобы весь процесс сварки был выполнен в од­ном положении изделия;

– стыки всех элементов желательно располагать в одной плоскости, избегая прохожде­ния нескольких швов через одну точ­ку;

– расстояние между параллельны­ми швами рекомендуется выдерживать не менее 10 мм для деталей толщиной до 2 мм, а для остальных – в 4–5 раз больше толщины деталей;

– нецеле­сообразно располагать окна, отверстия на близком расстоянии от швов;

– рекомендуется соблюдать пропор­ции между высотой элементов и рас­стоянием между ними (рис. 4.11, а);

– кромки деталей под сварку разде­лываются, как показано на рис. 4.11,б.

Рис.4.11. Примеры рекомендуемых соотношений в сварных конструкциях.

Неравномерный нагрев деталей при сварке приводит к различным дефектам (табл. 4.4).

Основные методы получения металлоконструкций, каркасов, рам, стоек, оснований РЭА – контактная, элек­тродуговая, холодная, диффузионная и газовая сварка. Вне зависимости от метода для уменьшения деформации изделий детали закрепляют в приспо­соблении и стремятся обеспечить ми­нимальный объем металла в свароч­ном шве, использовать прерывистый точечный шов, выдержать сборочные зазоры.

При изготовлении каркасов до 90 % работ выполняется контактной свар­кой. Более пригодны для этого вида сварки металлы, имеющие высокие электросопротивление, пластичность и малую окисляемость, а именно: ни­кель и его сплавы (ковар), платинит, низкоуглеродистая сталь и др. Схема установки для контактной (конденса­торной) сварки с трансформаторной связью приведена на рис. 4.12.

Рис.4.12. Схема конденсаторной сварки.

1-электроды; 2-свариваемые детали.

На ка­чество сварного соединения оказывают влияние энергия сварочного им­пульса, усилие сжатия электродов, площадь сечения и состояние поверх­ности электродов, форма импульса сварочного тока. Форма импульса сварочного тока и длительность его прохождения зависят от емкости свароч­ных конденсаторов С, напряжения их зарядки U, коэффициента трансформа­ции К_тр, индуктивности L и суммар­ного активного сопротивления конту­ра R_Σ. В зависимости от соотношения параметров разрядного контура на­блюдаются три формы импульсов сва­рочного тока (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Формы импульсов сварочного тока:

а - кривая апериодического типа; б - критического затухания; в - колебательного типа.

Рабочей яв­ляется апериодическая форма тока. При переходе в колебательный режим процесс становится неустойчивым и требует регулировки параметрами К_тр и С. Производительность процесса за­висит от постоянных времени заряда и разряда конденсаторов.

Аргонно-дуговая сварка обеспечивает высокое качество соединений деталей из нержавеющих сталей, алюминие­вых и титановых сплавов. Основными параметрами ТП являются: сила тока, напряжение на электродах, вид и по­лярность тока, диаметр электродов. Увеличение силы сварочного тока приводит к увеличению глубины про­вара и применяется при повышенных толщинах деталей. Напряжение ли­нейно связано с шириной шва и не сказывается на глубине провара. При сварке постоянным током обратной полярности («-» на изделии) глубина провара на 40–50 % выше, чем при сварке током прямой полярности, и на 15–20 % выше, чем при сварке пе­ременным током. Использование ар­гона при дуговой сварке обеспечивает чистоту химического состава литого ме­талла и создает благоприятные условия для формирования структуры шва.

Холодная сварка (рис. 4.14) осущест­вляется за счет пластической дефор­мации соединяемых деталей под дей­ствием больших механических усилий.

Рис.4.14. Схема холодной сварки.

1 – пуансон; 2 – прижим; 3 – свариваемые детали.

Удельное давление при соединении одноименных материалов определяет­ся по формуле:

где σ_т – предел текучести;

S – шири­на рабочей части пуансона;

h_ост – ос­таточная толщина металла.

Метод применяется для соединения внахлестку тонких (до 1 мм) деталей.

Диффузионная сварка основана на соединении деталей в результате пол­зучести под действием приложенного давления в контролируемой атмосфе­ре. Основными параметрами процесса являются температура Т, давление Р и время t, которые для взаимно раство­римых металлов связаны следующим соотношением:

где т, В – константы для данного ме­талла;

А – энергия активации ползу­чести;

е – основание натурального логарифма;

R – универсальная газо­вая постоянная.

Диффузионная сварка позволяет сва­ривать разнородные материалы, обес­печивает высокую точность, прикла­дываемые усилия колеблются в преде­лах 5–20 МПа. Недостатками метода являются высокая энергоемкость и низкая производительность (соедине­ние длится 5–20 мин).

Газовая сварка применяется для сварных соединений из тонколисто­вой стали с целью предупреждения прожогов, для соединения деталей из легких сплавов с минимальными де­формациями. В качестве горючей сме­си используют ацетилен или природ­ный газ и кислород.