A METHOD OF RESISTANCE WELDING ELECTRODES MANUFACTURING BY COMBINED CASTING AND STAMPING

Full Text

Введение. Одним из наиболее распространенных способов сварки в различных отраслях техники является контактная сварка. Основные сферы ее применения - машиностроение, автомобилестроение, ракетно-космическая промышленность, строительство и др. Применительно к ракетно-космической промышленности электроды используют для получения соединений элементов конструкций летательных аппаратов (соединение обшивки с элементами каркаса и соединение элементов каркаса контактной сваркой). Электроды контактной сварки являются основным инструментом, технически осуществляющим процесс образования сварной точки. Они выполняют функцию проводников электрического тока и являются силовыми элементами, передающими значительные усилия в процессе сжатия. Электроды одновременно являются элементами вторичного контура трансформатора, силовыми конструктивными элементами контактной машины и сменным технологическим инструментом. В процессе эксплуатации рабочая часть электродов испытывает высокую токовую нагрузку, высокие градиенты температур, циклические напряжения и упруго-пластические деформации сжатия, сдвига и изгиба. Кроме того, на рабочей поверхности действуют силы трения, качения и скольжения [1-3]. Создание металлических материалов с заданным комплексом физико-механических свойств может быть реализовано с применением комплексного подхода, сочетающего получение заданного химического состава, технологию получения и упрочняющую обработку, обеспечивающие получение требуемого фазового состава и определенного структурного состояния монолитных и порошковых материалов. Свойства сплавов определяются не только химическим составом и микроструктурой, но и в значительной степени типом, размерами, формой и характером распределения фаз различной природы и происхождения. Применение различных технологий позволяет управлять макро- и микроструктурой, прочностными и эксплуатационными характеристиками, изменяя структурно-энергетическое состояние сплава. Современное представление об эффективном управлении свойствами материалов основывается на возможности создания условий, при которых происходит самоорганизация заданного структурно-фазового состояния [4; 5]. Технологии, используемые в настоящее время для получения медно-хромовых сплавов и дисперсно-упрочненных композиционных материалов, требуют сложных в обслуживании и в то же время дорогих плавильных агрегатов. Авторами разработан ресурсосберегающий способ приготовления [6; 7] хромовых бронз и получения электродов контактной сварки на специализированной установке (рис. 1) совмещенным способом литья и штамповки [8], что позволяет перерабатывать вторичное сырье, технологически упростить и экономически удешевить процесс изготовления электродов [9]. IMG_0008.JPG Рис. 1. Специализированная установка для получения электродов контактной сварки Технология плавки. Для получения медного расплава использовались отходы медного лома типа А 1/1 по ГОСТ 1639-93. Масса загружаемого в графитовый тигель индукционной печи металла составляла 1 кг. Плавку осуществляли под слоем древесного угля, толщина слоя 25-30 мм, при рабочей частоте печи 44 ± 4 кГц. Медный расплав раскисляли фосфором, который добавляли в виде лигатуры МФ 9 по ГОСТ 4515-93 в количестве 0,7 % [10]. Затем в раскисленный расплав вводили легирующий элемент в виде таблетки (рис. 2), состоящей из 83 % медного порошка марки ПМС-1 по ГОСТ 4960-75 и 17 % наноструктурированных частиц хрома Х99 по ГОСТ 5905-79. Рис. 2. Легирующий элемент в виде таблетки Перемешивание жидкого металла происходило под действием переменного электромагнитного поля. Это дает возможность получить в индукционной печи однородный по химическому составу сплав [11]. Технология получения электродов. Заливку расплавленного металла осуществляли в матрицу технологической оснастки (рис. 3). После остывания сплава до температуры 850-900 0С штамповали (рис. 4) пуансоном охлаждающий канал в электроде, затем открывали подвижным клином дно матрицы и проталкивали электрод пуансоном в охлаждающую камеру, находящуюся в основании пресса, для закалки в проточной воде [12; 13]. Полученный образец электрода представлен на рис. 5. 20101030150320(1).jpg Рис. 3. Заливка металла в матрицу Старение электродов осуществляли в муфельной печи СНОЛ-1.62.5.1/11-ИЗ при температуре 450 °С в течение 4 ч, при этом достигается наиболее высокий уровень физико-механических свойств (твердость и электропроводность) [14]. Исследование микроструктуры в композиционном контрасте с картированием и точечными спектрами. Исследование микроструктуры проводили с помощью оптического микроскопа Carl Zeiss Axio Vision, оснащенного устройством визуализации изображения. 20101030150429(1).jpg Рис. 4. Штамповка охлаждающего канала Рис. 5. Образец полученного электрода Рис. 6. Микроструктура электрода, полученного по совмещенной технологии литья и штамповки, после термической обработки Следует отметить достаточно равномерное распределение вторичной фазы в объеме электрода (рис. 6). Это свидетельствует об интенсивном перемешивании расплава в процессе индукционной плавки сплава. Энергодисперсионный анализ выполняли на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-7001F. Суммарная площадь исследования составила около 5 мм2 и показывает примерное содержание основных элементов в сплаве (табл. 1). Таблица 1 Содержание основных элементов в сплаве Содержание химических элементов в спектре Cr, % P, % Cu, % Total, % 1,01 0,12 98,87 100 Распределение химических элементов в характеристическом излучении по площади шлифа (рис. 7) достаточно равномерное, что положительно отражается на твердости и электропроводности образцов. а б Рис. 7. Карты химических элементов в характеристическом излучении (х3000): а - Cr (хром); б - Cu (медь) Испытания образцов электродов. Качество электродов контактной сварки определяется их стойкостью, т. е. способностью сохранять в определенных пределах исходные размеры и форму рабочей поверхности. В конечном счете, от формы и размеров рабочей части электродов зависит качество сварного соединения [15]. Чтобы исключить влияние как можно большего количества факторов и обеспечить требуемую объективность оценки работоспособности электродов, испытания проводили на одной сварочной машине, сваривая материал одной марки разной толщины и качества поверхности, задаваясь при этом вполне определенными параметрами сварки (темп сварки, энергетические параметры, давление на электроды, условия охлаждения). Испытание проводили на контактной машине МПТУ-300. Сваривали в крест стержни арматуры (рис. 8) диаметрами 10 + 40 мм из стали 35ГС. а б в Рис. 8. Сварка арматуры в крест: а - сжатие стержней; б - сварка стержней; в - стержни после сварки В результате сварки арматуры в крест были подобраны оптимальные режимы, приведенные в табл. 2. Испытания проводили до полного износа электродов (рис. 9). На графике зависимости степени износа электродов от количества точек (рис. 10) видно, что полученные электроды изнашиваются на 50-70 % меньше, чем электроды из аналогичных сплавов, а следовательно, дольше работают до полного износа, что в значительной мере снижает конечную стоимость продукции. Таблица 2 Режимы сварки в крест двух стержней арматуры из стали 35ГС диаметрами 10 + 40 мм Усилие на электродах, кг Сварочный ток, кА Темп сварки, т/мин Время сварки, с Длительность выдержки под током, с 580 23,6 30 0,25-0,72 0,47 Рис. 9. Полный износ электрода Рис. 10. График зависимости степени износа электродов от количества точек Заключение. Результаты выполненной работы дают основание сделать следующие выводы: 1. Применение медных таблеток с содержанием наноструктурированных частиц хрома позволяет получить нужный по химическому составу сплав и исключить сложные, дорогостоящие операции приготовления лигатуры Cu-Cr. 2. Предложенная методика плавки обеспечивает равномерное распределение хрома в сплаве, что положительно отражается на прочностных и электропроводных свойствах электродов. 3. Использование совмещенного способа литья и штамповки, а также операций по термообработке, позволяет получать электроды, по твердости, электропроводности и стойкости превосходящие электроды из аналогичных сплавов, полученных по традиционной технологии. 4. Применяемая ресурсосберегающая технология позволяет получать электроды контактной сварки из вторичного сырья, что в значительной мере снижает конечную стоимость продукции.

About the authors

S. L. Busygin

Siberian Federal University

Email: politex_1999@bk.ru
79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

A. M. Tokmin

Siberian Federal University

79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

V. V. Bogdanov

Reshetnev Siberian State Aerospace University

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

S. A. Gotovko; Gotovko

Siberian Federal University; Reshetnev Siberian State Aerospace University

79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation; 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

References

Supplementary files