Точечная сварка сталей
Низкоуглеродистая тонколистовая холоднокатаная сталь
К тонколистовой относят стали толщиной до 4 мм разных марок, содержание углерода в которых не превышает 0,15%. Они составляют основную массу штампо-сварных изделий, свариваемых точечной и рельефной сваркой (табл. 2).
В зависимости от назначения холоднокатаные листы изготовляют из стали обыкновенного качества или качественной углеродистой стали. Механические свойства первой определяют только испытанием на растяжение. Сталь применяют для изготовления различных изделий без глубокой вытяжки при штамповке; она обладает удовлетворительной свариваемостью, которая в основном определяется состоянием ее поверхности.
Лучшую поверхность (свободную от окислов) имеет декопированная сталь, что позволяет использовать ее для контактной сварки без дополнительной подготовки поверхности. Другие стали обычно имеют окисленную поверхность, и для их сварки требуются специальные режимы или способы или дополнительная очистка поверхности. В этом разделе рассмотрены режимы сварки применительно только к сталям с чистой поверхностью.
| Назначение | Тип стали | Марка стали | Толщина, мм | ГОСТ |
| Сталь обыкновенного качества | ||||
| Для различных целей | Углеродистая | БСт0, БСт2кп, БСт2пс, БСт2сп, БСтЗ, БСтЗпс, БСтЗсп, БСт4кп, БСт4пс, БСт4сп | 0,2—4 | 19903—74 19904—74 16523—70 17066—71 |
| Для штамповки посуды, арматуры и др. | Декапированная углеродистая | БСт2кп, БСт2пе, БСт2сп | 0,25—2 | 19904—74 16523—70 |
| Для кровли и различных производственных, поделок | Кровельная углеродистая | БСт2кп, БСт2пс, БСт2сп | 0,25—2 | 19904—74 |
| Качественная конструкционная сталь | ||||
| Авто-, авиа- и сельскохозяйственное машиностроение | Углеродистая | 05кп, 08кп, 08пс, 08Ю, 08Фкп, 10, 10кп, 10пс, 15, 20, 20кп, 20пс, 25, 30 | 0,2—4 | 19903—74 19904—74 9045—70 1050—74 |
Для изготовления штампо-сварных конструкций в большем объеме применяют качественную конструкционную углеродистую сталь. Холоднокатаные листы из этой стали обладают хорошей свариваемостью, чистой и гладкой поверхностью, слабой чувствительностью к термическому циклу и имеют достаточно высокое электросопротивление.
Сортаментом холоднокатаного листового проката предусмотрена широкая номенклатура сталей, из которых наибольшее применение нашла качественная мягкая углеродистая сталь с малым содержанием углерода (сталь 08). Эта сталь обладает высокой пластичностью, легко поддается штамповке и поэтому в основном используется в штампо-сварных конструкциях.
Холоднокатаную листовую сталь получают из горячекатаной, поверхность которой тщательно очищают травлением. Холодная ее прокатка позволяет получить лист высокой точности по толщине. После холодной прокатки лист нельзя применять для штамповки, так как такая сталь обладает повышенной прочностью, имеет низкое относительное удлинение и высокую твердость.
Разупрочняют холоднокатаную сталь отжигом при температурах, близких к точке Ас1 (680—700° С для сталей 08кп и 08Ю). Перед отжигом поверхность тщательно обезжиривают химико-механическим и электролитическим способами. Отжиг проводят в защитной атмосфере, исключающей окисление металла. После этой операции листовую сталь подвергают конечной операции — дрессировке — холодной прокатке с малым обжатием (0,5—2%). Малое обжатие позволяет осуществить наклеп поверхностного слоя металла и сохранить недеформированными внутренние слои, в результате чего предотвращается образование линий сдвига, (при штамповке) и обеспечивается хорошее сочетание механических свойств. Кроме того, дрессировкой достигается хороший вид последующих покрытий. Наличие дрессировки листа стабилизирует и контактное сопротивление, что особенно важно при сварке на жестких режимах.
В целях обеспечения высокой пластичности в стали ограничивают содержание углерода и других примесей. Это также важно и для сохранения хорошей свариваемости. В стали 08кп содержится 0,05—0,11% С; 0,25—0,50% Mn; ≤0,03% Si; ≤0,04% S; ≤0,04% P. Если эта сталь предназначена для холодной штамповки сложных по вытяжке деталей, то ее поставляют по специальным техническим условиям с более низким содержанием углерода (<0,08%) и низким содержанием серы (≤0,03%) и фосфора (≤0,02%).
Кипящая сталь имеет целый ряд преимуществ в процессе производства, однако листовой прокат из нее менее однороден, имеет внутренние дефекты (расслоения), которые ухудшают свариваемость. Один из существенных недостатков кипящей стали — склонность ее к старению, в результате чего ухудшается способность к вытяжке листов, а на поверхности штампованных заготовок образуются линии сдвига. Их появление ухудшает прилегание деталей в месте сварки и способствует образованию начальных выплесков при точечной сварке на жестких режимах. Улучшают кипящую сталь, добавляя при ее изготовлении небольшое количество ванадия (0,03%). Такой металл (сталь 08Фкп) обладает высокими пластическими свойствами и успешно применяется для штамповки изделий с глубокой вытяжкой.
Более широкое распространение в настоящее время получает спокойная нестареющая сталь, стабилизированная алюминием (08Ю). Все эти стали в некоторых пределах обладают разной пластичностью, что не оказывает заметного влияния на их свариваемость, однако характер разрушения сварного соединения, особенно при отрыве, может меняться.
Металл в состоянии поставки имеет чистую блестящую полированную или матовую поверхность, покрытую нейтральной смазкой, предохраняющей сталь от окисления при транспортировке и хранении. Для облегчения штамповки в местах глубокой вытяжки обычно применяют различные смазки, дополнительно загрязняющие поверхность. На них осаждается также пыль, находящаяся в воздухе, поэтому перед сваркой рекомендуется промывать детали в механизированных мойках для удаления остатков смазки и других загрязнений.
Контактное сопротивление холоднокатаной стали низкое (40— 80 мкОм). ГОСТы на холоднокатаную сталь допускают наличие по краям листов окислов в виде цветов побежалости, возникающих в результате отклонения в режимах отжига и неисправности термического оборудования. Сравнительное измерение контактного сопротивления показывает, что в зависимости от цвета пленки окислов его значение может увеличиться в 30 раз. Пленки с более темной окраской имеют структуру окислов, значительно увеличивающих контактное сопротивление.
Проведенные автором исследования показали, что нормальная двусторонняя точечная сварка металла с такими пленками возможна. Повышенное контактное сопротивление при нагреве быстро снижается. При сварке на жестких режимах наблюдается некоторое увеличение начальных выплесков. При металлографических исследованиях в центре некоторых точек обнаруживаются рыхлоты. Однако заметного изменения статической прочности при этом не наблюдается. Наличие цветов побежалости заметно снижает стойкость электродов и требует более частой их зачистки. Окислы темно-синей окраски могут иметь недопустимо высокое контактное сопротивление, поэтому такой металл необходимо предварительно проверять на свариваемость.
В целях высокой пластичности и сохранения гладкой поверхности после штамповки кипящая сталь должна иметь зерна феррита размером 6—8 баллов и структурно-свободного цементита до 3-го балла. Более крупные скопления цементита, разрушаясь при штамповке, служат местом концентрации напряжений в металле. В этих местах чаще всего образуются микротрещины, приводящие к нарушению сплошности листа при штамповке. Совпадения мест сварки с этими местами приводит к снижению прочности сварного соединения. Допустимое содержание структурно-свободного цементита для листов весьма глубокой вытяжки регламентируется ГОСТ 5640—68, а величина зерна — ГОСТ 5639—65.
В зоне термического влияния при сварке дрессированной низкоуглеродистой стали наблюдается характерный рост зерна, приобретающий удлиненную форму с ориентацией вдоль направления преимущественного отвода теплоты. Величина укрупненного зерна в этой зоне может достигать 3—4 баллов. В околошовной зоне происходит своеобразный отжиг металла в результате нагрева и последующего охлаждения. Размер зерна при вытяжке зависит от предшествующей деформации. Для этих сталей чрезмерный (критический) рост зерен наблюдается при температуре 700° С и степени критической деформации 8—10%. В зоне сварки возникают такие температуры. Возможны и деформации, близкие к критическим вследствие нарушения технологии дрессировки и, как следствие, операции штамповки. Все это приводит к появлению в околошовной зоне значительного участка с укрупненными зернами металла. Это, в свою очередь, скажется и на механических свойствах сварного соединения. Качество штамповки предварительно сваренных заготовок из такого металла ухудшится.
Низкоуглеродистые стали с содержанием углерода в пределах 0,05—0,11 %, казалось, не склонные к закалке. Однако в условиях точечной и рельефной сварки, где происходят быстрые процессы нагрева и охлаждения, создаются условия для образования островков металла с разной степенью закалки. В местах сосредоточения структурно-свободного цементита при нагреве образуются участки аустенита с высоким содержанием углерода, который не успевает диффундировать в окружающие слои металла из-за недостатка времени. При быстром охлаждении металл в этих участках получает разную степень закалки.
Исследованиями на электронном микроскопе установлено, что участки неоднородны. В центре наблюдаются более твердые образования. При сварке на особо жестких режимах центральная часть этих участков содержит мартенсит. При сварке стали 08 участки местной закалки не образуются в зоне литого ядра. Очевидно, имеющийся здесь углерод успевает распределиться в расплавленном металле с большей равномерностью.
Точечная сварка тонколистовой низкоуглеродистой стали с чистой поверхностью осуществляется успешно как на универсальных машинах, так и на разного типа специализированном оборудовании (многоэлектродных машинах и др.). Сталь, имеющую хорошую подготовку поверхности, можно успешно сваривать на машинах, работающих по простейшему циклу с одноимпульсным включением сварочного тока.