Клеесварная технология ремонта машин: учебное пособие.

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

А.Ю. КОНОПЛИН, Н.И. БАУРОВА

КЛЕЕСВАРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ РЕМОНТА МАШИН УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

А.Ю. КОНОПЛИН, Н.И. БАУРОВА

КЛЕЕСВАРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ РЕМОНТА МАШИН Учебное пособие

Утверждено в качестве учебного пособия редсоветом МАДИ

МОСКВА МАДИ 2017

УДК 621-049.32-036.7 ББК 39.2-08:35.71 К29 Рецензенты: проф. каф. технического сервиса машин и оборудования ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет – МСХА им. К.А. Тимирязева», д-р техн. наук, проф. И.Н. Кравченко; зав. каф. «Производство и ремонт автомобилей и дорожных машин» МАДИ, д-р техн. наук, проф. В.А. Зорин Коноплин, А.Ю. К29 Клеесварная технология ремонта машин: учеб. пособие / А.Ю. Коноплин, Н.И. Баурова. – М.: МАДИ, 2017. – 116 с. ISBN 978-5-7962-0212-8 В учебном пособии рассмотрены технологические методы создания клеесварных соединений (контактная точечная сварка по слою клея) и области их практического применения при ремонте автомобилей, транспортных, строительных, коммунальных машин, а также строительных конструкций. Подробно рассмотрены требования к полимерным материалам, используемым при клеесварной технологии сборки. Учебное пособие отличается практической направленностью и поможет специалистам принять решение о целесообразности замены традиционной контактной точечной сварки на клеесварную технологию. Предназначено для широкого круга специалистов и может быть использовано аспирантами и студентами высших учебных заведений по направлениям подготовки 15.03.01 «Машиностроение»; 15.03.02 «Технологические машины и оборудование»; 23.05.01 «Наземные транспортно-технологические средства»; 23.05.02 «Транспортные средства специального назначения». УДК 621-049.32-036.7 ББК 39.2-08:35.71 ______________________________________________________________________ Учебное издание КОНОПЛИН Александр Юрьевич БАУРОВА Наталья Ивановна КЛЕЕСВАРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ РЕМОНТА МАШИН УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Редактор Н.В. Шашина Подписано в печать 09.01.2017 г. Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 7,25. Тираж 300 экз. Заказ . Цена 240 руб. МАДИ, 125319, Москва, Ленинградский пр-т, 64. ISBN 978-5-7962-0212-8

© МАДИ, 2017

3

ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................. 5 1. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РЕМОНТЕ МАШИН............................................................................. 7 1.1. Общие сведения о контактной точечной сварке .......................... 7 1.2. Режимы контактной точечной сварки .......................................... 13 1.3. Технология применения точечной сварки при производстве и ремонте машин ........................................... 21 1.4. Выбор оборудования для контактной точечной сварки.................................................. 24 2. ПРИМЕНЕНИЕ КЛЕЕСВАРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ РЕМОНТЕ МАШИН...................................................................... 28 2.1. Технологические методы создания клеесварных соединений при ремонте машин........................... 28 2.2. Выбор режимов сварки по неотвержденному слою клея .......... 33 2.3. Выбор электродов для клеесварной технологии ....................... 38 2.4. Определение оптимального шага между сварными точками ............................................................. 43 3. СВОЙСТВА КЛЕЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ СОЗДАНИИ КЛЕЕСВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ........................................................ 48 3.1. Клеевые материалы, используемые при клеесварной технологии сборки ........................................... 48 3.2. Реологические свойства клеевых материалов, используемых для создания клеесварных соединений ............................................................. 52 3.3. Упругие характеристики клеевых материалов, используемых для клеесварной технологии .............................. 58 3.4. Теплофизические свойства клеевых материалов, используемых для клеесварной технологии .............................. 63

4

3.5. Влияние наполнителей на тепло- и термостойкость клеевых материалов, используемых для клеесварной технологии ....................................................... 74 3.6. Влияние наполнителей на микротвердость сварной точки и околошовной зоны ............................................ 76 3.7. Особенности моделирования свойств клеесварных соединений ............................................................. 81 4. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА КЛЕЕСВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ............. 87 4.1. Дефекты клеесварных соединений и способы их предотвращения .................................................... 87 4.2. Показатели качества клеесварных соединений......................... 90 4.3. Оптимизация параметров качества при ремонте машин по клеесварной технологии....................... 94 4.4. Испытания клеесварных соединений и готовых конструкций ................................................................ 106 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ................................................................ 110 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ........................................................................ 112

5

ВВЕДЕНИЕ Контактная точечная сварка является одним из наиболее распространенных способов сварки в машиностроении. Так, например, в автомобилестроении около 70% объема сварочных работ выполняется именно с использованием контактной точечной сварки [5, 26]. Контактная сварка представляет собой процесс образования соединения за счет нагрева металла проходящим через него электрическим током и пластической деформации зоны соединения под действием сжимающего усилия [26]. Фактически контактная сварка является современным аналогом метода, применяемого когда-то кузнецами: они нагревали два элемента докрасна, а потом ковали их молотом, чтобы прочно соединить. Сегодня кузнечный горн заменяет электричество, а на смену молоту пришло усилие рычажных сварочных клещей [43]. По мнению ряда специалистов [11, 26, 43], технологии контактной точечной сварки к началу 70-х годов ХХ века достигли своего совершенства и практически исчерпали возможности дальнейшего развития. Они вполне удовлетворяли существующим требованиям массового производства, но во многих случаях не могли обеспечить требуемый уровень качества при сварке изделий ответственного назначения. Поэтому в конце ХХ века стали активно развиваться способы контактной точечной сварки с программированным изменением параметров режима (сварочного тока, усилия сжатия электродов). Данные технологии позволили управлять термодеформационными процессами, протекающими в зоне сварки и минимизировать их отрицательное воздействие на качество получаемых соединений. Но основным недостатком соединений, изготовленных с использованием контактной точечной сварки, является высокая концентрация напряжений, что является наиболее распространенной причиной снижения усталостной прочности [5, 10]. Также недостатком конструкций, изготовленных с использованием контактной точечной сварки, является низкая коррозионная стойкость и низкая герметичность [9]. В настоящее время одним из перспективных направлений развития контактной точечной сварки является сварка по неотвержден-

6

ному слою клея (клеесварка), которая позволяет обеспечить оптимальное сочетание прочностных и деформационных характеристик конструкций [14]. Клеевые материалы широко используются в различных типах клеемеханических соединений (клееклепаных, клеерезьбовых и др.). Основной функцией клеевого материала в клеемеханических соединениях является равномерное распределение напряжений, что приводит к существенному увеличению долговечности. Клеемеханический способ сборки применяется как при производстве, так и при ремонте машин [14, 43]. Однако в процессе клеесварной технологии сборки возникают существенные проблемы, которые связаны с взаимным отрицательным влиянием клея на сварку и сварки на клей, что приводит к ухудшению прочности клеесварного соединения и не позволяет в полной мере реализовать все преимущества этой технологии. При сварке, вследствие высоких температур, имеет место существенное термическое влияние [27], что приводит к частичному выгоранию клея и разупрочнению основного металла в зоне термического влияния. Цель данного учебного пособия заключается в изложении в доступной и компактной форме современного состояния науки в области технологических методов создания клеесварных соединений. Приведена информация по особенностям практического применения клеесварной технологии при ремонте машин. Отдельная глава посвящена свойствам различных типов клеевых материалов, используемых при создании клеесварных соединений, и современным методам их определения. Приведена классификация основных дефектов клеесварных соединений, показаны причины их возникновения и способы предотвращения.

7

1. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И РЕМОНТЕ МАШИН 1.1. Общие сведения о контактной точечной сварке Контактная сварка – это процесс образования соединения в результате нагрева металла проходящим через него электрическим током и пластической деформации зоны соединения под действием сжимающего усилия [43]. Основателем контактной сварки является английский физик Уильям Томсон, который в 1856 г. впервые применил стыковую сварку [26]. В 1877 г. в США Элиху Томсон независимо от своего английского коллеги разработал стыковую сварку и внедрил ее в промышленность. Практически одновременно в 1877 г. в России Н.Н. Бенардос предложил способы контактной точечной и шовной (роликовой) сварки. Но на промышленный поток в России контактную сварку поставили только в 1936 г. [26]. По оценкам ряда специалистов [9, 14, 16, 26], в настоящее время около 30% всех сварных соединений выполняется при использовании тех или иных технологий контактной сварки. Это связано с ее высоким качеством и высокой производительностью. Среди всех способов сварки контактная точечная сварка по степени механизации и автоматизации занимает первое место [26]. В соответствии с ГОСТ 19521-74 точечная сварка относится к группе контактной сварки и используется при создании неразъемных соединений. На рис. 1.1 приведена классификация контактной сварки по технологическим признакам. Между собой соединения, собранные по технологии точечной сварки, отличаются свойствами и геометрическими размерами соединяемых материалов, что практически полностью и определяет режимы сварки. С помощью контактной точечной сварки соединяют детали толщиной от нескольких микрон до 30 мм [26, 43], изготовленных из самых различных марок стали, алюминиевых, медных и титановых сплавов.

8

Рис. 1.1. Классификация контактной сварки по технологическим признакам в соответствии с ГОСТ 19521-74

Клеесварная технология может быть реализована только с применением контактной точечной сварки, которая и будет рассмотрена в данном учебном пособии. Контактная точечная сварка как способ создания неразъемных соединений получила широчайшее применение при производстве и ремонте машин самого различного назначения. Само название «контактная точечная сварка» говорит о том, что детали прочно соединяются между собой точками в результате воздействия электрического тока и соответствующего усилия сжатия (рис. 1.2). Свариваемые детали, расположенные перед сваркой внахлестку, сжимают токопроводящими электродами сварочным усилием F, а затем от источника питания пропускают импульс сварочного тока IСВ длительностью tСВ, и таким образом детали сваривают по отдельным местам касания. В результате образуются сварные точки диаметром dст. В приповерхностных слоях деталей, соединяемых контактной точечной сваркой, происходит образование общей зоны расплавленного металла соединяемых деталей. В специализированной литературе эту общую зону расплавленного металла называют «литое ядро» [11, 43].

9

Рис. 1.2. Схема двусторонней контактной точечной сварки: F – сварочное усилие сжатия; d – диаметр сварной точки; l – околошовная зона

Схема соединения, изготовленного с использованием контактной точечной сварки, показана на рис. 1.3. В сварном соединении можно выделить следующие основные элементы: свариваемые металлические детали толщиной H1, H2, сварная точка диаметром dст, толщина проплавления hпл, величина вмятины hвм. Все эти участки имеют различные механические свойства и, следовательно, разные характеристики сопротивления усталости [32]. Диаметр сварной точки dст (диаметр литого ядра) и величина проплавления hпл оказывают наиболее существенное влияние на прочностные свойства соединения, изготовленного с использованием контактной точечной сварки. Поэтому получение оптимальных значений этих параметров (которые должны находиться в пределах между минимальными и максимальными допускаемыми их значениями) является основной задачей технологии точечной сварки. Минимально допускаемые значения диаметра сварной точки dст определяются влиянием целого ряда факторов, например, таких как прочность сварных соединений и стабильность ее значений, устойчивость процесса контактной точечной сварки против образования выплесков, непроваров и др. Их значения зависят от толщины S свариваемых деталей [9, 17, 26]: (1.1) dст = 2S + 3 (мм).

10

Значения минимальных диаметров ядра, ширины нахлестки и шага между сварными точками регламентированы ГОСТ 15878-79 (табл. 1.1). Эти табличные значения выработаны многолетней практикой сборки с использованием контактной точечной сварки.

Рис. 1.3. Схема сварного соединения с двумя сварными точками: H1, H2 – толщина свариваемых металлических деталей; dст – диаметр сварной точки; hпл – толщина проплавления; hвм – величина вмятины

Величина проплавления деталей при контактной точечной сварке в большинстве случаев должна находиться в пределах 20…80% от толщины деталей. На титановых сплавах верхний предел увеличивают до 95%, а на магниевых – уменьшают до 70%. Глубина вмятин от электродов не должна превышать 20% от толщины деталей, поскольку они ухудшают внешний вид соединений и обычно уменьшают их прочность. Только при сварке деталей неравных толщин или в труднодоступных местах ее допускают увеличивать до 30% [17, 26]. Контактная точечная сварка может быть использована при сборке различных типов соединений (рис. 1.4) [26, 44]. При точечной сварке деталей одноточечные соединения применяют относительно редко. В подавляющем большинстве случаев с использованием точечной сварки изготавливают многоточечные соединения деталей (рис. 1.5). Последние выполняют в виде одного (рис. 1.5, а) или нескольких (рис. 1.5, б) рядов сварных точек, расположенных вдоль нахлестки деталей [26, 47]. К основным конструктивным элементам, характеризующим многоточечные соединения, относят: ширину нахлестки В, расстояние (шаг) между точками t в ряду (в шве), расстояние между осями

11

швов b, а также расстояние между крайними осями швов и кромками листов с [51]. Таблица 1.1 Минимально допускаемые значения диаметра ядра по ГОСТ 15878-79 Толщина деталей, S = S1

Минимальный диаметр ядра, dЯ

0,5 1,0 1,2 1,5 2,0 2,5 3,0 4,0 5,0 6,0

3 4 5 6 7 8 9 12 14 16

Минимальная ширина нахлестки, В Минимальный шаг алюминиевые, стали, тита- между точками, t Ш магниевые, медновые ные сплавы сплавы 10 8 10 14 11 15 16 13 17 18 14 20 20 17 25 22 19 30 16 21 35 32 28 45 40 34 55 50 42 65

Минимально допускаемое расстояние между осями швов b устанавливают из условия отсутствия влияния шунтирования тока на процесс сварки. Его выбирают таким, чтобы расстояние до соседних точек в любом направлении, например t1, было не меньше минимально допускаемого шага между точками t.

Рис. 1.4. Типы соединений, которые могут быть собраны с использованием контактной точечной сварки

Минимальную ширину нахлестки В, а также минимальное расстояние от центра точки или оси шва до края нахлестки с, устанавли-

12

вают по условию отсутствия объемных пластических деформаций металла на краю нахлестки. Причем, минимальные значения должны быть не менее 0,5В.

Рис. 1.5. Схема однорядных (а) и двурядных (б) соединений при контактной точечной сварке: В – ширина нахлестки; t – шаг сварных точек; с – расстояние от оси до края нахлестки; b – расстояние между осями швов

При сварке заготовок одинаковой толщины ядро располагается симметрично относительно плоскости стыка. При сварке разнотолщинных заготовок ядро смещается в толстую заготовку. Смещение ядра тем сильнее, чем мягче режим сварки [10, 26]. К преимуществам точечной сварки относятся: – простота технологического процесса; – высокая производительность; – экономичность; – возможность полной автоматизации. Основным недостатком соединений, полученных путем использования контактной точечной сварки, является высокая концентрация напряжений, что приводит к снижению усталостной прочности. К другим недостаткам технологии точечной сварки относятся:

13

– низкая коррозионная стойкость, которая связана с наличием зазоров между двумя свариваемыми поверхностями, в результате чего возникает щелевая коррозия; – негерметичность сварного соединения; – высокая энергоемкость и трудоемкость технологического процесса. Частично коррозионная стойкость может быть несколько увеличена за счет использования специальных мастик, которые наносятся на всю площадь свариваемых поверхностей непосредственно перед сваркой. Однако применение мастик не позволяет уменьшить энергоемкость сварки, поскольку количество сварных точек как без использования мастики, так и с ее применением не изменяется. Снижение энергоемкости стало возможно только за счет применения клеесварной технологии сборки, поскольку клей вносит свой вклад в прочность соединения и позволяет уменьшить общее количество сварных точек. 1.2. Режимы контактной точечной сварки При всех способах контактной точечной сварки основными параметрами режимов являются [1, 43]: – сила сварочного тока IСВ; – время сварки (длительность импульса) tСВ; – усилие сжатия деталей FСВ; – время сжатия tСЖ. Сила сварочного тока (IСВ) является одним из основных параметров контактной точечной сварки. От данного параметра зависят количество тепла, выделяемое в зоне сварки, и скорость нагрева. Кроме того, сила сварочного тока оказывает влияние на размеры литого ядра (литое ядро увеличивается пропорционально увеличению IСВ). Сила сварочного тока может быть вычислена по ряду специальных формул, содержащих коэффициенты, полученные опытным путем. Но на практике, как правило, значение сварочного тока выбирают по таблицам, составленным для разных режимов сварки и различных материалов (табл. 1.2).

14

Время сварки (tСВ) представляет собой продолжительность импульса тока при изготовлении одной сварной точки. От данного параметра, так же как и от силы тока, зависит количество тепла, выделяемое в зоне соединения при прохождении через нее электрического тока. Увеличение длительности импульса tСВ приводит к повышению проплавления деталей и увеличению размеров ядра расплавленного металла. Но существует такое значение времени сварки tСВ, при котором наступает состояние равновесия, и вся подводимая энергия отводится из зоны сварки, не увеличивая проплавление деталей и размер ядра. Поэтому увеличение tСВ целесообразно только до определенного момента [43]. При определении оптимального времени сварки tСВ необходимо учитывать такие параметры, как толщину деталей, размер сварной точки, температуру плавления свариваемого металла, его предел текучести, коэффициент аккумуляции тепла и др. На практике время сварки, так же как и силу тока, как правило, определяют по таблицам (табл. 1.2). Таблица 1.2 Режимы точечной сварки равнотолщинных деталей из низкоуглеродистых сталей [33, 51] Толщина свариваемых деталей, мм 0,5 0,8 1,0 1,2 1,5 2 2,5 3,0 0,5 0,8 1,0 1,2 1,5 2 2,5 3,0

Длительность имСила сварочного пульса, tСВ, с тока, IСВ, кА «Мягкие» режимы 3,5 0,2 4,0 0,3 5,0 0,4 5,5 0,5 6,5 0,6 7,5 0,8 9,5 1,0 12,0 1,3 «Жесткие» режимы 5,5…6,0 0,08…0,1 6,5…7,0 0,1…0,14 7,5…8,0 0,14…0,16 9,0…10,0 0,16…0,18 10,5…11,5 0,18…0,22 13,0…15,0 0,22…0,24 15,5…17,5 0,24…0,26 18,0…20,0 0,26…0,30

Усилие сжатия FСВ, кгс 80 120 150 200 220 350 400 500 120…180 200…250 250…300 300…400 400…500 600…700 700…800 800…1000

15

Усилие сжатия (FСВ) оказывает влияние на выделение и перераспределение тепла, на пластические деформации, происходящие в соединении, на охлаждение металла и его кристаллизацию в ядре и др. При увеличении усилия сжатия FСВ увеличивается деформация металла в зоне сварки, уменьшается плотность тока, снижается и стабилизируется электрическое сопротивление на участке электрод– детали–электрод. Прочность сварных точек с ростом усилия сжатия в большинстве случаев возрастает. Условно выделяют два режима точечной сварки, которые различаются плотностью сварки и временем прохождения электрического тока (табл. 1.2) [26, 44]: – «мягкий» режим (нагрев осуществляется постепенно (0,5…3 с) умеренной силой тока, не превышающей 100 А/мм2); – «жесткий» режим (время сварки протекает обычно в интервале 0,01…1,5 с, а плотность тока составляет 120…300 А/с). При контактной точечной сварке на «жестких» режимах используются более высокие значения усилия сжатия FСВ, чем при «мягкой» сварке. Это связано с тем, что при увеличении жесткости возрастает мощность источников тока и проплавление деталей, что может приводить к образованию выплесков расплавленного металла [17]. Большое усилие сжатия как раз и призвано воспрепятствовать этому. Цикл контактной точечной сварки принято условно подразделять на 4 этапа (рис. 1.6) [26, 33]: 1-й этап длится от начала сжатия деталей электродами усилием FЭ до начала импульса тока IСВ. Сжатие деталей электродами приводит к возникновению микропластических деформаций в контактах деталь-деталь и электрод-деталь, что приводит к формированию механических и электрических контактов. Для устойчивого течения процесса сварки и получения стабильных размеров ядра на данном этапе необходимо обеспечить стабильность параметров контактов. 2-й этап протекает от начала импульса тока IСВ до начала формирования ядра (до начала расплавления металла в контакте деталь– деталь). Включение тока приводит к нагреву металла в зоне сварки, в

16

результате чего происходит интенсификация процессов микропластических деформаций, разрушение окисных пленок, формирование механических и электрических контактов. В зоне сварки нагретый металл расширяется, деформируется (преимущественно в зазор между деталями), и в контакте деталь–деталь образуется рельеф (уплотняющий поясок). Это приводит к расхождению электродов ∆. Динамика увеличения уплотняющего пояска определяет изменение плотности тока в зоне сварки и скорость тепловыделения в ней. На данном этапе необходимо обеспечить оптимальную скорость нагрева металла в зоне сварки. 3-й этап длится от начала формирования ядра диаметром dЯ в контакте деталь–деталь до окончания импульса сварочного тока IСВ. На данном этапе происходит расплавление металла в области контакта деталь-деталь, образование ядра и уплотняющего пояска вокруг него, который предотвращает выброс расплавленного металла. По мере прохождения тока продолжается нагрев металла в зоне сварки, ядро растет по диаметру и высоте, происходит перемешивание металла, удаление поверхностных пленок и образование металлических связей в жидкой фазе. Продолжаются процессы теплового расширения металла в зоне сварки и его пластической деформации. Главной задачей на данном этапе является обеспечение оптимальной скорости нагрева металла в зоне сварки и предотвращение выбросов расплавленного металла. 4-й этап начинается при окончании импульса сварочного тока IСВ и длится до снятия усилия FЭ сжатия деталей электродами. На данном этапе происходит охлаждение металла в зоне сварки и его кристаллизация в ядре. При охлаждении металла уменьшается его объем, вследствие чего возникают остаточные напряжения и деформации. На данном этапе главной задачей является обеспечение оптимальной степени макродеформаций металла в зоне сварки (достаточной для компенсации усадки металла). В работах ряда специалистов [26, 43, 44] приводятся общие рекомендации по разработке технологических режимов точечной сварки: – глубина вмятины не должна превышать 20% от толщины деталей;

17

– величина проплавления должна находиться в пределах 20…80% от толщины деталей; – шаг между соседними точками определяется из условия минимального шунтирования тока.

Рис. 1.6. Схема основных этапов контактной точечной сварки: FЭ – усилие сжатия деталей электродами; IСВ – сила сварочного тока; dЯ – диаметр ядра; ∆ – расхождение электродов; tСЖ – время сжатия; tСВ – время сварки; tпр – время проковки [26]

Цикл контактной точечной сварки зависит в первую очередь от материалов свариваемых деталей и требований к готовому соединению. На рис. 1.7 приведены наиболее распространенные циклы контактной точечной сварки. При сварке деталей из малоуглеродистых сталей в машиностроении, как правило, используют режим, приведенный на рис. 1.7, а. При данном режиме детали сжимают токопроводящими электродами усилием FСВ (которое сохраняется неизменным) и через определенное время сжатия tСЖ пропускают импульс сварочного тока заданной силы IСВ и длительности tСВ. Затем через определенное время проковки tПР, достаточное для кристаллизации и охлаждения зоны сварки, усилие сжатия электродов снимают.

18

а

б

в

г

д

е

Рис. 1.7. Наиболее распространенные циклы контактной точечной сварки: а – сварка деталей из малоуглеродистых сталей; б – сварка относительно толстых деталей и деталей из высокопрочных материалов; в – сварка свинцовых деталей со стальными; г, д – сварка деталей из углеродистых и низколегированных сталей; е – сварка деталей из высокопрочных материалов или деталей с относительно невысоким качеством подготовки поверхностей: F0 – усилие обжатия; Fк – ковочное усилие; FСВ – усилие сварки; IСВ – сила сварочного тока; tК – время приложения ковочного усилия; tСЖ – время сжатия; tСВ – время сварки; tПР – время проковки

19

При сварке относительно толстых деталей или деталей, склонных к закалке, а также деталей из высокопрочных материалов (склонных к образованию в ядре дефектов усадочного характера), применяют цикл (рис. 1.7, б), в котором при кристаллизации расплавленного металла в ядре и охлаждении зоны сварки (в период проковки tПР) усилие сжатия электродов увеличивают (прикладывают ковочное усилие FК). Это способствует увеличению степени пластической деформации металла, компенсирующей его усадку при кристаллизации и охлаждении. Величину ковочного усилия FК (FК ≈ 2…2,5FСВ) и момент его приложения tК (tК ≈ 0,9tСВ) задают с учетом термодеформационных процессов, протекающих в зоне сварки, и увеличивают, как правило, монотонно с заданной скоростью, но иногда и ступенчато [26, 30]. При сварке свинцовых деталей со стальными в период проковки соединения tПР усилие сжатия электродов не только не увеличивают, но и, наоборот, уменьшают (рис. 1.7, в). При сварке деталей из углеродистых и низколегированных сталей с целью предотвращения образования в соединении закалочных структур и трещин путем уменьшения скорости его охлаждения применяют цикл (рис. 1.7, г), в котором сжатие деталей электродами прекращают одновременно с окончанием импульса сварочного тока [33]. Для улучшения условий проковки соединений и уменьшения требуемой величины ковочного усилия, а иногда для термообработки соединения в сварочных электродах, применяют цикл, в котором после окончания импульса сварочного тока IСВ в период проковки соединения tПР пропускают дополнительный подогревающий импульс тока IД (рис. 1.7, д). При сварке деталей из высокопрочных материалов или деталей с относительно невысоким качеством подготовки поверхностей часто применяют цикл (рис 1.7, е), в котором перед импульсом сварочного тока в период сжатия деталей tСЖ производят их обжатие повышенным усилием сжатия электродов F0 (усилием обжатия). Этот технологический прием используют и для предупреждения наружных и внутренних начальных выплесков, а также для вытеснения пластичных

20

прослоек грунта [3, 14]. Величину усилия предварительного обжатия деталей обычно принимают равной величине ковочного усилия F0 ≈ ≈ FК ≈ 2…2,5FСВ. При расчете параметров сварки (сварочного тока, времени импульса) сопротивление между электродами Rсв является исходным параметром, который легко рассчитать, зная материал детали, ее толщину и требуемую температуру сварки. При этом сопротивлениями в контактах между деталями и между электродами и деталями пренебрегают. При осуществлении контактной точечной сварки на контактных машинах с малым сопротивлением вторичного контура (~ 50 мкОм) процесс сварки по мере снижения Rсв сопровождается интенсивным ростом нагрева и увеличением сварного ядра. При достижении равенства Rсв = Rвк (где Rвк – полное сопротивление вторичного контура) нагрев достигает максимума. Затем, по мере дальнейшего снижения Rсв (по достижении требуемого размера ядра), нагрев уменьшается. Таким образом, сварка на контактных машинах с малым сопротивлением вторичного контура (таких машин в настоящее время большинство) сопровождается нестационарным нагревом и нестабильным качеством соединений. Уменьшить этот недостаток можно надежным сжатием зачищенных деталей, обеспечивающим поддержание Rсв на минимальном уровне, либо поддерживая высокий уровень Rсв за счет слабого сжатия деталей и разделения импульса сварочного тока на несколько коротких импульсов. Разделение импульса сварочного тока также обеспечивает экономию энергии и прецизионное соединение с остаточной деформацией в пределах 2…5% [26, 43, 51]. При сварке на машинах с большим сопротивлением вторичного контура (> 500 мкОм) снижение Rсв в процессе сварки практически не влияет на выделение теплоты. Нагрев остается стационарным, что характерно для сварки на подвесных машинах с длинным кабелем во вторичном контуре. Сваренные на таких машинах соединения обладают более стабильным качеством. В зоне формирования точечного сварного соединения протекают термодеформационные процессы, которые по степени их

21

влияния на качество сварки принято подразделять на основные и сопутствующие [11, 26]. Основными являются процессы, без которых невозможно формирование точечного сварного соединения. К таким процессам относятся [26, 30]: – нагрев и расплавление металла проходящим током; – образование общей зоны расплавленного металла (ядра) и его кристаллизация на последней стадии формирования соединений; – микроскопические деформации металла в контактах и макроскопические – в зоне формирования соединения. Сопутствующими термодеформационными процессами называют процессы, без которых возможно сформировать точечное сварное соединение. Многие из сопутствующих процессов являются «вредными» и ухудшают условия формирования соединения и качество готового соединения. Данные процессы являются неизбежным следствием протекания в зоне сварки основных процессов. К сопутствующим процессам относят [26, 30]: – дилатацию металла в зоне формирования соединений; – перемешивание жидкого металла в ядре и удаление окисных пленок; – воздействие термодеформационного цикла сварки на свойства металла в зоне сварки и прилегающей к ней области; – образование остаточных напряжений и деформаций в деталях; – массоперенос в контактах электрод – деталь. 1.3. Технология применения точечной сварки при производстве и ремонте машин Основными технологическими операциями процесса контактной точечной сварки являются [11, 17]: 1) подготовка свариваемых поверхностей; 2) сборка; 3) сварка; 4) антикоррозионная защита; 5) контроль качества.

22

Подготовка кромок под сварку заключается в зачистке их до металлического блеска и обезжиривании. Зачистка деталей производится непосредственно перед сваркой механическим или химическим путем. Удаляется ржавчина, окислы и другие загрязнения. Выбор способа подготовки поверхностей зависит от ряда факторов, основными из которых является материал свариваемых деталей, качество поверхностей, тип производства и др. При единичном и мелкосерийном производстве применяются операции правки, рихтовки, обезжиривания, травления или зачистки, а также механической обработки. При средне- и крупносерийном производстве операцией подготовки поверхностей перед сваркой в ряде случаев можно пренебречь, так как высокое качество исходных материалов обеспечивается в заготовительном и штампопрессовом производствах (исключение составляют детали из алюминиевых сплавов, требующие обработки поверхности не ранее чем за 10 ч до сварки). Критерием качества подготовки поверхности является величина контактных сопротивлений Rэ-д и Rд-д. Высокое Rэ-д приводит к перегреву электродов и подплавлению поверхности деталей, вследствие чего происходит наружный и внутренний выплеск металла и образуется чрезмерная вмятина под электродами. Для измерения данных величин детали зажимают между электродами сварочной машины, но сварочный ток не включают. Сопротивление измеряют микроомметром при помощи щупов. Для сталей сопротивление более 200 мкОм свидетельствует о плохом качестве поверхности. Качество подготовки поверхности (чистота, шероховатость, наличие поверхностных пленок) оказывает существенное влияние на контактное сопротивление. При увеличении параметров шероховатости, наличии на поверхности загрязнений, ржавчины и поверхностных пленок контактное сопротивление увеличивается в десятки, а иногда и тысячи раз (табл. 1.3). Сборка заключается в совмещении деталей в нужном положении и помещении их между электродами. Детали должны плотно прилегать друг к другу в процессе осуществления сварки. Для этого используют ручные тиски или струбцины.

23

Таблица 1.3 Влияние качества поверхностей на контактное сопротивление [17] Состояние поверхностей деталей Травленная Шлифованная Обработанная резцом Покрытая окалиной Покрытая ржавчиной

Контактное сопротивление, мкОм 300 100 1200 80000 80000…300000

Операция сварки состоит из следующих основных переходов (рис. 1.6): нагрев деталей; пластическая деформация; удаление оксидных пленок; охлаждение. Операции пластической деформации и удаления оксидных пленок между собой связаны, поскольку основным назначением пластической деформации является удаление оксидных пленок, которые препятствуют образованию электрического контакта между свариваемыми поверхностями. Антикоррозионная защита может выполняться как до сварки, так и после. Для предотвращения щелевой коррозии зазоры герметизируют с помощью грунтов, эмалей, клеев, паст, герметиков и лакокрасочных покрытий. При выполнении антикоррозионной обработки до сварки грунты и эмали наносят на поверхность нахлестки. Обладая относительно малой вязкостью, они легко выдавливаются сварочным усилием из зоны сварки в зазор между деталями и не мешают протеканию тока и формированию соединения. Защитные вещества затвердевают спустя некоторое время и создают надежный барьер, препятствующий прониканию агрессивных жидкостей под нахлестку. Однако следует учитывать, что эти вещества, нанесенные на нахлестку, постепенно высыхают, т.е. являются ограниченно жизнеспособными (как правило, жизнеспособность антикоррозионных составов составляет от 4 до 12 часов) с точки зрения возможности выполнения сварки. Если время до начала процесса сварки превышает значения жизнеспособности антикоррозионного состава, то резко возрастает сопротивление в контакте деталь–деталь и появляются выплески, непровары. При антикоррозионной защите после сварки отпадают ограничения по срокам хранения и сварки узлов.

24

Основным показателем качества точечной сварки являются размеры ядра сварной точки. При производстве и ремонте машин практически для всех материалов диаметр ядра сварной точки должен быть равен трем толщинам S наиболее тонкого свариваемого листа. Допускается разброс значений глубины проплавления в пределах 20…80% от S. При меньших значениях глубины проплавления образуется непровар, а при больших – выплеск. Глубина вмятины от электрода не должна превышать 0,2S. Размер нахлестки при контактной точечной сварке должен находиться в пределах 2,5…5,0 диаметра ядра. На данном этапе визуально контролируется отсутствие видимых дефектов, к которым относятся: трещины, прожоги, разрывы металла, вырывы точек, изменение цвета точек, неправильная форма точек. Невидимые дефекты (непровары, внутренние трещины, выплески, раковины и поры) могут быть обнаружены только с использованием специального оборудования или разрушающих методов контроля. Основными причинами возникновения данных дефектов является недостаточный или, наоборот, избыточный нагрев зоны сварки (это происходит из-за плохой подготовки поверхностей и плохой сборки деталей или из-за неправильно выбранных параметров режима сварки). К особенностям точечной сварки в ремонтном производстве относятся и часто возникающие ситуации, при которых сварные конструкции по стандартным технологиям не могут быть восстановлены. Чаще всего это связано с тем, что в силу усталостных и коррозионных повреждений нарушены допуски по взаимному расположению поверхностей. Производители сварных конструкций стремятся минимизировать конструкторскую и технологическую себестоимость [20, 47] и в результате вопросам ремонтопригодности часто не уделяется должного внимания. В этих случаях качественное восстановление можно провести, или заменив изношенный (поврежденный) элемент на новый, или же используя клеесварную технологию. 1.4. Выбор оборудования для контактной точечной сварки В соответствии с ГОСТ 10594-80 оборудование для контактной сварки должно быть изготовлено на следующие номинальные дли-

25

тельные вторичные токи: 100, 110, 125, 140, 160, 180, 200, 220, 250, 280, 320, 360, 400, 450, 500, 560, 630, 710, 800 [17, 26, 43, 51]. При производстве машин подавляющее большинство технологических операций точечной сварки выполняются в автоматическом режиме с использованием специальных машин. Машины для контактной точечной сварки можно условно разделить на четыре группы [17, 43]: – однофазные машины переменного тока (типа МТ, МТП); – с выпрямлением тока во вторичном контуре (типа МТВ, МТВР); – низкочастотные машины (типа МТН); – конденсаторные машины (типа МТК, ТКМ). Машины для точечной сварки состоят из следующих основных элементов [17, 33, 43]: – трансформатор тока; – механизм для сжатия электродов; – сварочный зажим; – устройство включения / выключения сварочного тока; – блок управления (позволяет регулировать силу тока и время его протекания). У сварочных аппаратов небольшой мощности блок управления может отсутствовать, тогда время пропускания тока и необходимое усилие сжатия электродов регулирует сам сварщик, полагаясь на свой опыт и навыки. Аппараты для контактной точечной сварки позволяют регулировать следующие основные параметры: – силу тока; – время прохождения тока; – усилие сжатия электродов. Все аппараты можно классифицировать по следующим основным признакам [33, 51]. – По назначению (общего и специального назначения). Аппараты общего назначения применяются в бытовых и производственных целях при выполнении ремонтных работ. Они характеризуются небольшими размерами и весом, легко транспортируются и работают, как правило, от бытовой электрической сети. Специализированные

26

аппараты отличаются повышенной производительностью и используются для производственных целей при крупносерийном и массовом производстве. Характеризуются большими габаритами, питание у них часто осуществляется от электрической сети 380 В. К ним относятся специальные споттеры и машины, предназначенные специально для кузовных работ. – По расположению электродов (параллельно, последовательно). При параллельном расположении электроды с двух сторон одновременно сжимают свариваемые детали. При последовательном расположении электроды опираются с одной стороны деталей (двухточечные клещи). – По способу передвижения (стационарные, подвесные, мобильные). В стационарных машинах для точечной сварки детали перемещают под машину, а в подвесных и мобильных происходит установка аппарата в положение сварки. Обычно в ремонтных целях используют сварочные клещи. Они имеют небольшие размеры и позволяют выполнять точечную сварку по месту проведения ремонтных работ. – По способу автоматизации (ручные, автоматические). Основным параметром при выборе необходимой для тех или иных целей машины является сила сварочного тока и длина рычагов с электродами. Именно это определяет, какую толщину деталей можно сваривать, какой металл и с какими габаритами. Обычно производитель это указывает в паспорте на конкретную модель аппарата для точечной сварки. Особенностью ремонтного производства является, как правило, использование более универсального сварочного оборудования, что позволяет проводить сборку деталей любой геометрии и разной степени поврежденности. Точечную сварку при ремонте выполняют вручную с использованием передвижных машин точечной сварки, некоторые из которых могут иметь встроенный малогабаритный трансформатор. При производстве (средне- и крупносерийном) применяются стационарные и подвесные машины контактной точечной сварки прессового типа с двухсторонним подводом тока.

27

Еще одной особенностью ремонтного производства является отсутствие специализированного оборудования, позволяющего проводить неразрушающий контроль качества сварки. Основным методом оценки качества сварной точки, как и несколько десятилетий назад, является разрыв сварного соединения. Если он произошел по сварной точке, то это означает, что сварка проведена неудовлетворительно и требуется повторить технологическую операцию по подбору режимов сварки. Неудовлетворительное качество точечной сварки также может быть вызвано затуплением и/или загрязнением электродов. На поверхности тонколистовой холоднокатаной стали всегда присутствует пленка минерального масла, которая остается после вытяжки и специально не удаляется, так как предохраняет стальные листы от коррозии. В зависимости от толщины и степени загрязнения этой пленки она может оказывать различное влияние на процесс точечной сварки. В большей степени ухудшают качество сварки графитосодержащие смазки, которые используются при глубокой вытяжке. В процессе сварки смазка и все загрязнения, присутствующие на свариваемых поверхностях, частично выдавливаются к периферии, а частично распределяются по всему объему литого ядра, ухудшая его прочность.

28

2. ПРИМЕНЕНИЕ КЛЕЕСВАРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ РЕМОНТЕ МАШИН 2.1. Технологические методы создания клеесварных соединений при ремонте машин Клеесварные соединения представляют собой точечно-сварные соединения, у которых в промежутках между точками сварки находится клей [11]. Внешний вид клеесварного соединения показан на рис. 2.1 и 2.2. В клеесварном соединении можно выделить следующие основные элементы: свариваемые металлические детали толщиной H1, H2, сварная точка диаметром dст, толщина проплавления hпл, величина вмятины hвм, околошовная зона протяженностью lo1 и lo2 и клеевой шов протяженностью lпм. Все эти участки имеют различные механические свойства и, следовательно, разные характеристики сопротивления усталости.

Рис. 2.1. Схема сварки по слою клея: hпм – толщина клеевого шва; dст – диаметр сварной точки; l0 – зона шлаковых включений; F – сварочное усилие сжатия

Клеевой материал оказывает на контактную сварку неоднозначное воздействие. С одной стороны, обеспечивает существенное увеличение фактической площади контакта нагрева деталей (рис. 2.3). Это связано с волнистостью и шероховатостью свариваемых поверх-

29

ностей. С другой стороны, обеспечивает увеличение герметичности, прочностных и жесткостных характеристик соединения.

Рис. 2.2. Схема клеесварного соединения с двумя сварными точками: H1, H2, – толщина свариваемых металлических деталей; dст – диаметр сварной точки; hпл – толщина проплавления; hвм- величина вмятины; l01 и l01 – околошовная зона; lпм – клеевой шов

Рис. 2.3. Фактическая площадь контакта двух свариваемых поверхностей

Наиболее слабым звеном клеесварного соединения, полученного контактной точечной сваркой, является именно околошовная зона и сварная точка. На размеры околошовной зоны существенное влияние оказывают тепло- и электрофизические свойства клея. При клеесварной технологии (даже при использовании тепло- и токопроводных клеев) околошовная зона всегда больше, чем при традиционной точечной сварке. В норме размер околошовной зоны lo должен составлять не более 3 мм (рис. 2.2). Впервые клеесварная технология сборки была использована в автомобилестроении при сборке кузовов легковых автомобилей. ГАЗ использовал клеесварную технологию при изготовлении кабины машины «ГАЗель», что позволило обеспечить герметичность кабины и ее жесткость.

30

В работах [16–17] описана попытка применить клеесварную технологию при сборке кузова автомобиля «Ока», однако авторы ограничились изготовлением всего нескольких машин. Принципиальное отличие клеесварных технологий, используемых в авиационной и автомобильной промышленности, состояло в том, что изделия авиационной техники выпускались штучно, т.е. фактически, даже во времена СССР, это было мелкосерийное и единичное производство, тогда как автомобили изготавливались путем конвейерной сборки, и это производство относилось к категории массового, или крупносерийного. В единичном и мелкосерийном производстве клей наносили после сварки, точнее его вводили с помощью специального инструмента в зазор между соединенными поверхностями. При такой технологии сборки клей не оказывал отрицательного влияния на прочность получаемого соединения и обеспечивалась их максимально возможная прочность. Еще одной особенностью единичного производства являлось обеспечение точного сопряжения соединяемых поверхностей, что приводило к тому, что зазор между ними был минимальным и постоянным. Продолжительность операции по нанесению клея и его последующему отверждению не играла никакой роли, поскольку изделие с неотвержденным клеевым швом не транспортировалось на следующую операцию. Другим важнейшим отличием такой технологии являлась тщательная подготовка поверхностей перед сваркой (или клепкой). Например, в авиации перед клееклепкой применялись технологии анодирования, которые позволяли не только удалить с поверхностей собираемых деталей следы масла, но и создать на поверхности металла прочную и коррозионно-стойкую пленку. При конвейерном производстве непосредственно сразу же за операцией по нанесению клея следовала следующая, при которой кузов (кабина) перемещался. В отличие от анодированных алюминиевых сплавов, на автомобильных заводах детали поступают в масле, которое не может быть удалено. Клеесварная технология может быть выполнена двумя различными способами [32]: 1) сварка по неотвержденному слою клея;

31

2) введение клея в зазор после проведения сварки. Преимуществом первого способа является относительно большой выбор клеевых материалов, которые могут быть использованы для клеесварной технологии. К основным недостаткам следует отнести взаимное отрицательное влияние клея на сварку и сварки на склеивание, что в итоге может привести к потере прочности. Преимуществом второй технологии является ее высокое качество, поскольку нет взаимного отрицательного влияния сварки на клей и клея на сварку. Однако к клеевым материалам, используемым при этой технологии, предъявляются очень жесткие требования по реологическим свойствам, поскольку они, с одной стороны, должны быть низковязкими и заполнять зазоры, а с другой стороны, они не должны вытекать из них. Первый способ может быть рекомендован при изготовлении и ремонте машин в самых различных областях, второй – широко используется в аэрокосмической промышленности. Технологический процесс получения клеесварного соединения по неотвержденному слою клея состоит из следующих типовых операций [32–33]. 1. Выбор клеевого материала. 2. Подготовка поверхностей под склеивание. 3. Приготовление клея. 4. Нанесение клея. 5. Монтаж конструкции. 6. Выбор режимов сварки. 7. Контактная точечная сварка. 8. Отверждение клея. 9. Контроль качества соединения. Основным отличием клеесварной технологии от сварной является отсутствие операции антикоррозионной защиты, поскольку клеевой материал сам выполняет эти функции. В машиностроении при получении клеесварных соединений используются алюминиевые сплавы (как не упрочненные термической обработкой сплавы с марганцем и магнием, так и упрочненные терми-

32

ческой обработкой и старением) и листовая сталь (марок 08, 08кп, 08ю, 10, 25кп, 35 и др. различного качества). По оценкам ряда специалистов [9, 33, 37] клеесварная технология превосходит сварную (табл. 2.1, 2.2), поскольку является менее энергоемким процессом, обеспечивающим существенно более высокую прочность, жесткость и коррозионную стойкость. Таблица 2.1 Сравнение показателей качества сварных и клеесварных соединений Наименование показателей качества соединений

Сварка, %

Клеесварка, %

Жесткость

100

150

Коррозионная стойкость

100

300

Клей между двумя соседними точками работает как конструкционный материал Клей надежно защищает от коррозии металл между сварными точками, полностью предотвращает щелевую коррозию

Таблица 2.2 Сравнение показателей технологичности операций сварки и клеесварки Наименование показа- Сварка, телей технологичности % Расходы на технологическую подготовку производства

100

Энергоемкость

100

Материалоемкость

100

Клеесварка, % Необходима организация дополнительного рабочего места по нанесению клея; 120 организация дополнительной операции по отверждению клея и наличие оборудования для механизации подачи клея Увеличение силы тока при сварке, что 110 связано с удовлетворительной проводимостью клея Дополнительные расходы на приобре105 тение клея

Как видно из приведенных данных, применение клеесварки увеличивает расходы при ремонте, тогда как при производстве этих же изделий клеесварная технология дешевле сварной [10, 33]. Это связано с тем, что при производстве изделий по клеесварной технологии уменьшается количество сварных точек (в среднем на 40%), по сравнению с аналогичной сварной конструкцией, что и приводит к снижению себестоимости. Тогда как при ремонте невозможно существен-

33

ным образом снизить количество сварных точек, а дополнительные технологические операции по нанесению и отверждению клея приводят к некоторому увеличению продолжительности технологического процесса и его стоимости. 2.2. Выбор режимов сварки по неотвержденному слою клея В зависимости от влияния теплофизических факторов режимы контактной точечной сварки подразделяют на жесткие и мягкие. Для жесткого режима характерен мощный кратковременный импульс, высокая скорость нагрева и охлаждения. При сварке на жестких режимах велика вероятность образования выплесков и для их предотвращения повышают величину сварочного усилия. Мягкие режимы характеризуются большей длительностью протекания тока и меньшей силой сжатия. На режимы сварки определяющее влияние оказывает контактное сопротивление. Величину общего контактного сопротивления за время сварки tсв находят по уравнению [26]: Rээ = 2Rд + 2Rэд + Rдд, (2.1) где Rээ – общее сопротивление металла между электродами в момент времени t ≤ tсв; Rд – собственное активное сопротивление деталей; Rэд – контактное сопротивление между электродом и деталью; Rдд – контактное сопротивление между деталями. Общим контактным сопротивлением Rк называют сумму сопротивлений: Rк = 2Rэд + Rдд. (2.2) На величину общего контактного сопротивления оказывают влияние множество факторов: электрофизические свойства свариваемых деталей, их форма, состояние поверхности, кинетика процесса нагрева, усилие сжатия и др. Выбор режимов сварки в существенной степени зависит от величины общего контактного сопротивления. Режимы сварки при клеесварной технологии, как правило, устанавливают экспериментальным путем. В качестве критериев качественной сварки могут быть использованы следующие показатели [10]:

34

– микротвердость литого ядра сварной точки; – длина околошовной зоны; – глубина вмятины; – сплошность клеевого шва; – качество электродов после проведения сварки. Первые три показателя позволяют количественно характеризовать клеесварное соединение, а два последних показателя являются его качественной оценкой. Эта оценка, хотя и кажется во многом субъективной, является важнейшей, поскольку если нарушена сплошность клеевого шва, то это означает потерю прочности и нарушение герметичности. Если в процессе сварки имеет место быстрое загрязнение электродов, то это свидетельствует о неудовлетворительных электрофизических свойствах клея, что потребует более частую замену электродов, что в свою очередь приведет к увеличению трудоемкости всего технологического процесса. Для оценки сплошности клеевого шва и качества электродов после сварки, как правило, используют экспертные методы. Цикл точечной сварки состоит из 4-х основных этапов и показан на рис. 2.4, а [26, 33]. На первом этапе электроды сжимают деталь усилием F1. На этом этапе происходит деформирование микронеровностей в местах контакта и формируется предварительная площадь фактического контакта. Через некоторое время повышенное усилие уменьшается до режимного сварочного F2, и в этот момент включается ток подогрева контакта Iпд, переходящий потом в сварочный ток Iсв (величина сварочного тока приблизительно в 1,5…2 раза больше, чем величина тока подогрева). Этот процесс сопровождается повышением температуры. Это второй цикл, на котором идет расплавление металла и формируются форма и размеры литого ядра. На следующем этапе нежелательную сильную закалку снимают отжигающим током Iотж. Этот процесс сопровождается повышением усилия до F1. Длительность каждого этапа выбирается индивидуально и задается настройкой регулятора времени. Это третий цикл сварки.

35

а

б

в Рис. 2.4. Циклы контактной точечной сварки (а), клеесварки (б) и клеесварки конструкций больших толщин (в): F1 – усилие сжатия; F2 – режимное сварочное усилие; Iпд – ток подогрева контакта; Iсв – сварочный ток; Iотж – отжигающий ток; Iдиск – импульс тока образующий диск расплава

На заключительном этапе после выключения тока (это четвертый цикл) происходит быстрое охлаждение деталей. В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что при клеесварной технологии (так же, как и при тра-

36

диционной сварке деталей, имеющих недостаточную зачистку) ток подогрева Iпд необходимо изменить в область действия начального повышенного давления (рис. 2.4, б). Если толщина свариваемых деталей более 1,0 мм, то они условно называются конструкциями большой толщины, в этом случае следует использовать цикл, изображенный на рис. 2.4, в. Основное отличие данного цикла заключается в том, что как только детали сжаты начальным повышенным давлением, на электроды подается импульс тока Iдиск, по амплитуде и времени действия достаточный только для того, чтобы по плоскости свариваемого контакта образовался горячий (расплавленный) диск из шероховатостей. В результате первый импульс тока (образующий этот диск расплава) ликвидирует самую нестабильную составляющую полного сопротивления. В табл. 2.3 приведены типовые режимы традиционной контактной точечной сварки и клеесварки (с использованием клея ЦМК-3). Сварочный ток и сила сжатия деталей должны обеспечивать плотность тока и давление в сварочном контакте, необходимые для образования литой зоны заданных размеров. При клеесварной технологии снижение величины сварочного тока необходимо для предотвращения таких дефектов, как выплески, вероятность появления которых при клеесварной технологии существенно выше, чем при сварной. Но уменьшение сварочного тока приводит к некоторому падению прочности клеесварного соединения. Таблица 2.3 Режимы сварки и клеесварки Параметры сварки Величина сварочного тока, А Усилие сжатия электродов, Н Длительность сварочного тока, с Длительность выдержки, с

без клея 55 750 10 3

Режим сварки по неотвержденному слою клея 48 900 14 4

Компенсировать уменьшение силы сварочного тока позволяет увеличение длительности импульса сварочного тока. Увеличение усилий сжатия электродов необходимо для обеспечения полного выдавливания клея с контактных площадок. Но это увеличение приводит

37

к еще большему деформированию металла электродами, которые всегда оставляют после себя вмятины (табл. 2.4) [33]. Таблица 2.4 Сравнительные характеристики сварных и клеесварных соединений (с использованием клея ЦМК-3) Характеристики Микротвердость литого ядра сварной точки, МПа Длина околошовной зоны lo, мм Глубина вмятины hвм., мм Сплошность клеевого шва Качество электродов после проведения сварки

Контактная точечная сварка по неотвержденному без клея слою клея 307…362

240…360

1,8 0,15 – без изменений

2,3…2,8 0,28…0,38 хорошо имеются незначительные загрязнения

Основными отличиями точечной сварки по неотвержденному слою клея от традиционной точечной сварки являются относительно небольшое активное сопротивление (которое во многом зависит от теплофизических свойств клея), интенсивный отвод теплоты во время нагрева через электроды и металл, существенное (по сравнению с традиционной точечной сваркой) изменение сечения, по которому протекает ток. В целом процесс сварки по слою клея протекает менее стабильно, чем традиционная сварка. Дело в том, что клей при проведении сварки фактически является обычным загрязнением, которое ухудшает качество сварной точки. Но при этом клеесварная технология сборки позволяет существенно повысить герметичность, коррозионную стойкость, жесткость, прочность и др. показатели качества изделия при сокращении энергозатрат (за счет уменьшения величины сварочного тока), металлоемкости (за счет уменьшения диаметра литого ядра и ширины фланцев) и трудоемкости (за счет сокращения количества сварных точек). Таким образом, можно выделить общие рекомендации по проведению сварки по слою неотвержденного клея (табл. 2.5), которые заключаются в уменьшении величины сварочного тока на 10…20%; увеличении усилия сжатия электродов на 15…25%, увеличении дли-

38

тельности импульса сварочного тока на 10…15% и увеличении времени выдержки и охлаждения на 1…3 с. Таблица 2.5 Рекомендации по проведению сварки по слою клея № п\п

Цикл точечной сварки

1

Сжатие

2

Сварка(включение сварочного тока)

3

Охлаждение

4

Выдержка

Рекомендации Увеличить усилие сжатия электродов на 10…20%. Это позволит полностью вытеснить клей из зоны сварной точки, что приведет к повышению микротвердости сварной точки и к увеличению прочности клеевого шва Уменьшение продолжительности импульса сварки на 10…15%, уменьшение величины сварочного тока на 10…20% и соответственно увеличение времени сварки на 2…4 с. Это позволит предотвратить выгорание клея в околошовной зоне Увеличение времени выдержки на 2…3 с для обеспечения наилучшего охлаждения клеесварного соединения Увеличение времени выдержки на 1…2 с для исключения появления напряжений в сварной точке

2.3. Выбор электродов для клеесварной технологии Большое влияние на качество соединений, восстановленных с использованием клеесварной технологии, оказывает правильный выбор клеевых материалов и электродов. Вопросам выбора клеевых материалов в технической литературе уделяется очень большое внимание, и для каждого типа материалов существуют свои стандартизированные показатели качества и методики их определения, которые подробно рассмотрены в главе 3 настоящего издания и в специализированной литературе [15, 18, 19, 34–36]. В то же время единых стандартов и рекомендаций по выбору электродов для создания клеесварных соединений на сегодняшний день не существует. Электроды осуществляют непосредственный контакт машины со свариваемыми деталями. В процессе сварки электроды обеспечивают подвод к свариваемым деталям усилия сжатия и сварочного тока, а также отвод теплоты. В процессе создания клеесварных соединений затупление и загрязнение электродов происходит более интенсивно, чем при тради-

39

ционной точечной сварке. Известно, что на поверхности тонколистовой холоднокатаной стали всегда присутствует пленка минерального масла, которая остается после вытяжки и специально не удаляется, так как предохраняет стальные листы от коррозии. В зависимости от толщины и степени загрязнения этой пленки она может оказывать различное негативное влияние на процесс точечной сварки. В большей степени ухудшают качество сварки графитосодержащие смазки, которые используются при глубокой вытяжке. При клеесварной технологии перед проведением операции склеивания производится операция подготовки поверхности, при которой следы смазки и все загрязнения удаляются. Но клеевой материал фактически является загрязнителем и в процессе сварки частично выдавливается к периферии, а частично распределяется по всему объему литого ядра, ухудшая его прочность и вызывая повышенный износ электродов. Поэтому при замене традиционной точечной сварки на клеесварную технологию к выбору электродов предъявляются повышенные требования. В конструкции электродов можно выделить три основные части: рабочую (1), среднюю (2) и посадочную (3). Внутри электрода проходит канал (4), обеспечивающий охлаждение электрода (рис. 2.5) [33, 43].

Рис. 2.5. Схема конструкции электрода: 1 – рабочая зона; 2 – средняя зона; 3 – посадочная зона; 4 – охлаждающий канал; dэ – диаметр рабочей поверхности электрода; dо – диаметр охлаждающих каналов; Dэ – диаметр корпуса электрода; lw – длина рабочей части электрода; α – угол конуса рабочей части

40

Рабочая часть обеспечивает непосредственный контакт электрода со свариваемыми деталями. Поэтому качество получаемых клеесварных соединений во многом определяется формой рабочей поверхности электрода. Свойства средней части электрода определяют его прочность и возможность использования экстракторов (или другого инструмента для демонтажа электродов). Посадочная часть электрода обеспечивает надежную передачу электрического импульса и усилие прижима. Для обеспечения плотной установки в электрододержатель и предотвращения протечек охлаждающей жидкости посадочная часть должна иметь конусную форму. Основными параметрами электрода являются длина рабочей части lw, диаметр рабочей поверхности dэ и диаметр корпуса Dэ. В новых электродах длина рабочей части lw, как правило, составляет 0,8Dэ. При клеесварной технологии диаметр корпуса электрода Dэ выбирают исходя из максимально необходимого усилия сжатия F (Dэ = = (0,015÷0,03)F) и толщины свариваемых материалов в соответствии с ГОСТ 15878-79 (табл. 2.6). Таблица 2.6 Параметры электродов, используемых для контактной точечной сварки и клеесварки углеродистых и легированных сталей Толщина свариваемых деталей, мм 0,5+0,5 0,8+0,8 1,0+1,0 1,5+1,5 2,0+2,0 2,5+2,5 3,0+3,0

Размеры электродов, мм Диаметр рабочей Диаметр корпуса Радиус элекповерхности электрода, Dэ трода, Rэ электрода, dэ 4 12 25…50 5 12 50…75 5 12 75…100 7 16 100…150 8 20 100…150 9 20 150…200 10 25 150…200

В процессе работы на любом сварочном аппарате необходимо следить за состоянием электродов. Диаметр электрода не должен увеличиваться. Это приводит к уменьшению концентрации тепла в месте соединения деталей. Диаметр электрода должен быть таким же, как и полученная впоследствии сварочная точка. Плоскость кон-

41

такта электрода с металлом зачищают плоским напильником или шлифовальной шкуркой [26, 43]. Различают электроды со сферической, конической (угол конуса рабочей части α обычно составляет 30°) и цилиндрической формой заточки рабочей части (рис. 2.6). На рабочей части электродов выделяют рабочую поверхность, которая обеспечивает непосредственный контакт (механический и электрический) со свариваемыми деталями. Различают электроды с плоской (характеризуется диаметром dэ) и сферической (характеризуется радиусом Rэ) рабочими поверхностями. От величины dэ и Rэ зависит площадь контакта электрода с деталью, влияющая на плотность тока, давление и величину ядра [33, 43]. Размеры и форма рабочей поверхности электродов оказывают существенное влияние на размеры и стабильность литой зоны клеесварного соединения. Форму электродов выбирают в зависимости от свойств материала свариваемых деталей. Так, например, для сварки титановых, алюминиевых и магниевых сплавов, как правило, применяют электроды со сферическими рабочими поверхностями. Стали же в основном сваривают электродами с плоской рабочей поверхностью.

а

б

в

Рис. 2.6. Форма рабочей поверхности электродов: а – электрод сферической формы со сферической рабочей поверхностью; б – электрод конической формы с плоской рабочей поверхностью; в – электрод цилиндрической формы с плоской рабочей поверхностью

При клеесварной технологии наибольшее применение находят электроды со сферической рабочей поверхностью (рис. 2.6, а), кото-

42

рые менее чувствительны к перекосам, поэтому их использование при клеесварной технологии позволяет избежать вмятин и подрезов по краям сварной точки [33, 39]. Использование при клеесварной технологии электродов с плоской рабочей поверхностью приводит к чрезмерным вмятинам и подрезам на поверхности точек. В исключительных случаях при клеесварке листов толщиной ≤ 1,2 мм могут быть использованы плоские электроды с увеличенным торцом [33, 43]. При клеесварной технологии повышенные требования предъявляются не только к конструктивным параметрам электродов, но и к материалам, из которых они изготовлены. Электроды, используемые для клеесварной технологии, должны обладать высокой тепло- и электропроводностью, термостойкостью и механической прочностью при высоких температурах, а также стойкостью к разупрочнению при циклическом нагреве. Кроме того, для повышения стойкости рабочей поверхности к загрязнению электроды должны обладать низкой склонностью к массопереносу. Для изготовления электродов используют специальные медные сплавы, обладающие высокой жаропрочностью и электропроводностью. Наиболее оптимальным для клеесварной технологии являются электроды из сплава хромокадмиевой бронзы (Мц5Б) или хромовой бронзы (БрХ). На качество электродов (и соответственно качество сварки) большое влияние оказывают процессы массопереноса. Накопление продуктов взаимодействия сопровождается увеличением электрического сопротивления и перепада напряжения в зоне контакта электрод-деталь. Именно значение перепада напряжения является наиболее объективной характеристикой, позволяющей контролировать качество электродов. Современная контрольная аппаратура (устанавливаемая на аппаратах) позволяет сравнивать фактическое амплитудное значение напряжения с базовым или критическим. В процессе работы электроды нагреваются до очень высоких температур. Термоциклический режим работы, совместно с механической нагрузкой, вызывает повышенный износ рабочих частей электродов, что приводит к существенному ухудшению качества клеесварных

43

соединений. Износ рабочей поверхности и связанное с этим увеличение площади контакта электрод – деталь приводит к уменьшению плотности тока и давления в зоне сварки и, следовательно, к изменению ранее полученных параметров литой зоны и качества соединений. При проведении контактной точечной сварки по слою клея необходимо регулярно проводить проверку установленных режимов сварки: величины сварочного тока, длительности включения тока и усилия сжатия между электродами. Общие рекомендации для выбора режимов сварки по слою клея заключаются в уменьшении величины сварочного тока на 10–20%; увеличении усилия сжатия электродов на 15–25% и увеличении длительности импульса сварочного тока на 10–15%. Снижение величины сварочного тока необходимо для предотвращения таких дефектов, как выплески и увеличенные вмятины, вероятность появления которых при клеесварной технологии существенно выше, чем при сварной. Но уменьшение сварочного тока приводит к некоторому падению прочности клеесварного соединения. Компенсировать уменьшение силы сварочного тока позволяет увеличение длительности импульса сварочного тока. Увеличение усилий сжатия электродов необходимо для обеспечения полного выдавливания клея с контактных площадок. Но это увеличение приводит к еще большему деформированию металла электродами, которые всегда оставляют после себя вмятины. При правильно выбранных электродах и режимах прочность сварной точки приблизительно на 20% ниже, чем при традиционной точечной сварке без клея. Но это падение прочности сварной точки компенсируется повышением герметичности, коррозионной стойкости и жесткости конструкции. Таким образом, при правильном выборе материалов и оборудования клеесварная технология сборки позволяет повысить герметичность, коррозионную стойкость, прочность и др. показатели качества конструкций при значительном сокращении энергозатрат. 2.4. Определение оптимального шага между сварными точками В клеесварных соединениях в промежутках между сварными точками находится клеевой материал, что позволяет уменьшить количество сварных точек.

44

При выборе шага между сварными точками в качестве критерия оптимальности принимаемого технологического решения, как правило, используются два показателя [2, 33]: – жесткость; – энергозатраты. За характеристику жесткости может быть принята прочность при разрыве. С увеличением количества сварных точек жесткость и сварных, и клеесварных образцов повышается. Однако, если расстояние между двумя соседними точками будет чрезмерно мало, то это приведет к снижению плотности тока и появлению непроваров. Оптимальное расстояние между сварными точками может быть определено экспериментальным путем. Рассмотрим определение оптимального расстояния между сварными точками при замене традиционной точечной сварки на клеесварную технологию на примере сварки кузовных элементов. В данном случае регламентировано расстояние между сварными точками 63…64 мм. Для определения возможности увеличения шага и его оптимальных значений при клеесварной технологии были проведены механические испытания на растяжение. Для проведения испытаний были подготовлены плоские образцы из стали 08кп толщиной 0,8 мм и 1,5 мм с двумя, тремя и четырьмя сварными точками (с увеличенным и рекомендованным для традиционной контактной точечной сварки шагом между сварными точками) (табл. 2.7, рис. 2.7). В качестве клеевого материала использовали клей марки ВК-27, который широко применяется при ремонте самых различных машин и механизмов, что связано с его очень хорошими технологическими свойствами (клей отверждается при комнатной температуре) и высокими прочностными характеристиками [19, 41]. Механические испытания проводились на машине для испытания конструкционных материалов «УТС 110М-50» с использованием системы температурных испытаний «СТИ ТС 3». На панели управления СТИ задавалась температура испытаний соответственно –60, +25 и +100°С и время выдержки образцов – 60 мин. После закрепления образца в захваты (рис. 2.8) в ЭБУ машины для испытаний зада-

45

ется ГОСТ 1497-84 на проведение испытаний, тип и геометрические параметры образца, размер серии образцов, наименование рабочей зоны машины (в случае применения СТИ только верхняя зона). Испытания проводились на следующих режимах: Vраб. = 2 мм/мин, Vпредв. = 3 мм/мин, Vп/п.т. = 2 мм/мин, условия останова испытания – спад усилия на 40% за 0,1 с. Таблица 2.7 Расстояние между соседними сварными точками № п/п 1 2 3

Количество сварных точек 2 3 4

Расстояние между соседними сварными точками, мм 190 95 63

В таблице 2.8 приведены результаты прочностных испытаний сварных и клеесварных соединений с различным шагом между сварными точками [9]. Таблица 2.8 Результаты прочностных испытаний сварных и клеесварных соединений с различным шагом между сварными точками № п/п 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

Значения максимального абсолютного разрывного усилия, Н Температура проведения испытаний, °С Вид соединения / количество сварных точек -60 +25 +100 Образцы типа 1 из стали 08кп толщиной 0,8 мм Сварное соединение / 2 точки 6092 6845 6467 Сварное соединение / 3 точки 8324 9353 8578 Сварное соединение / 4 точки 11107 12480 11021 Клеесварное / 2 точки 11122 12497 8903 Клеесварное / 3 точки 11097 12468 10567 Клеесварное / 4 точки 11127 12502 10636 Образцы типа 2 из стали 08кп толщиной 1,5 мм Сварное соединение / 2 точки 6397 7187 6790 Сварное соединение / 3 точки 8740 9821 9007 Сварное соединение / 4 точки 11663 13104 11572 Клеесварное / 2 точки 11678 13122 9348 Клеесварное / 3 точки 11651 13091 11095 Клеесварное / 4 точки 11683 13127 11168

Анализируя результаты испытаний, можно отметить, что при стандартном расстоянии между сварными точками использование

46

клеесварной технологии позволяет помимо обеспечения герметичности и коррозионной стойкости увеличить прочность соединения на 60…80% (в зависимости от температуры и марки клея).

Рис. 2.7. Схема соединений с различным количеством сварных точек и различным шагом между сварными точками

а

б

Рис. 2.8. Фото образца, закрепленного в захваты до (а) и после (б) разрушения соответственно

47

Следует отметить, что прочность соединений, изготовленных с использованием клеесварной технологии, практически не изменяется при изменении шага между сварными точками, в отличие от соединений, изготовленных с использованием традиционной точечной сварки. Увеличение (до +100°С) и понижение (до –60°С) температуры испытаний привело к незначительному уменьшению прочности сварных (падение прочности составило около 6…13%) и клеесварных соединений (падение прочности составило около 12…18%). Таким образом, при контактной сварке по слою клея можно увеличить шаг между сварными точками на 25…40% без ухудшения прочностных и жесткостных характеристик сварного шва.

48

3. СВОЙСТВА КЛЕЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ СОЗДАНИИ КЛЕЕСВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ Известно, что свойства клеевого материала оказывают существенное влияние на выбор технологических режимов сварки, качество клеесварного соединения и эксплуатационные свойства элементов машин, изготовленных по клеесварной технологии. В данной главе рассмотрены основные методы определения свойств клеевых материалов, оказывающих наибольшее влияние на качество клеесварных соединений. 3.1. Клеевые материалы, используемые при клеесварной технологии сборки Несмотря на огромное количество существующих марок клеев, используемых для конструкционного склеивания металлов, только очень ограниченное их количество может быть рекомендовано при выполнении сварки по клеесварной технологии. В табл. 3.1 приведены характеристики клеевых материалов различных химических составов при их применении для сборки по клеесварной технологии. Анализ данных табл. 3.1 показывает, что наиболее подходящими для клеесварной технологии материалами являются клеи на основе эпоксидных смол. Клеи, содержащие в своем составе растворители, не могут быть использованы по причине их взрывоопасности. Клеи на основе каучуков не могут применяться для клеесварной технологии в машиностроении, поскольку не позволят обеспечить необходимые жесткостные свойства. Для клеесварной технологии специальных клеев в нашей стране и за рубежом не разрабатывали. Но для этих целей могут быть использованы клеевые материалы, разработанные для клееклепаной технологии сборки. Для клееклепаной технологии сборки разработано несколько эпоксидных клеевых материалов, среди которых наибольшее приме-

49

нение нашли клеи марок ВК-27 и ВК-39 производства ВИАМ и УП-5207 (которые использовались при изготовлении многих деталей автомобилей «ВАЗ» первых моделей). Свойства данных клеевых материалов приведены в табл. 3.2 [4, 7, 27]. Таблица 3.1 Характеристики различных клеевых материалов Химическая природа клея

Эпоксидные

Фенольные

Полиуретановые

Кремнийорганические

Анаэробные

Акриловые

Преимущества Очень хорошие технологические свойства, что позволяет проводить склеивание в широком диапазоне температур, высокая прочность и стойкость к химическим средам Повышенные деформационные свойства (по сравнению с эпоксидными составами), теплостойкость до +250°С Очень хорошая адгезия к различным материалам, очень хорошие деформационные свойства

Недостатки Ограниченная жизнеспособность после приготовления Высокая токсичность, низкая прочность, высокая усадка Высокая токсичность, высокая стоимость

Низкая адгезионная прочность, слишком выВысокая теплостойкость сокие деформационные до +350°С, хорошие свойства, что не обеспетехнологические свойства чит конструкциям требуемой жесткости Хорошие технологические свойНе отверждаются на отства (не требуют предварительно- крытых участках металго приготовления) лических поверхностей Высокие требования Хорошие технологические свойк шероховатости поства (не требуют предварительноверхностей, высокая го приготовления) стоимость

Преимуществом клея ВК-27 является возможность производить склеивание при комнатной температуре, что является важнейшим условием при использовании этого материала в ремонтном производстве, где, как правило, отсутствует специализированное оборудование, позволяющее производить нагрев собранных по клеесварной технологии изделий в печи. Общим недостатком клеев марок ВК-27 и ВК-39 является необходимость выполнения специальных операций по очистке сопрягае-

50

мых поверхностей перед нанесением клеев. В условиях производства (непосредственно в цехе или на участке, где производят сварку) невозможно производить работы по обезжириванию. Это связано с тем, что для обезжиривания используются органические растворители, которые недопустимо применять в сварочных цехах. Клей марки УП-5207 ранее производился в УкрНИИПМ в г. Донецке, однако в последнее десятилетие его производство приостановлено. Таким образом, необходим поиск новых клеевых составов, которые позволили бы проводить сборку деталей машин по клеесварной технологии. Таблица 3.2 Свойства клеев, применяемых для клееклепаной и клеесварной технологий Марки клеев Показатели Количество компонентов Жизнеспособность клея в готовом виде при комнатной температуре, ч Режим отверждения: – температура, °С; – время, ч Предел прочности при сдвиге для Д16АТ при температуре, МПа +20°С +80°С Предел прочности при отрыве для Д16АТ при температуре, МПа –20°С +80°С Предел прочности при сдвиге для Д16АТ, МПа для образцов, на поверхности которых имеется слой масла Интервал рабочих температур, °С

ВК-27

ВК-39 УП-5-207

2

3

1

4

6

1 год

20 72

120 3

140…170 0,5…1,5

25 10,7

24 15,5

32 28

36 9,5

38 22,5

35 33

8 –60…+80

7,5 30 –60…+150

Одним из крупнейших разработчиков клеевых материалов является ОАО «Композит» (г. Королев), где создано большое количество специализированных клеевых материалов, которые нашли широкое применение в ракетно-космическом производстве [48]. Для склеивания металлов широкое распространение нашли клеи марок ЦМК-3, ЦМК-5 и ЦМК-73, основные свойства которых приведены в табл. 3.3.

51

Клей марки ЦМК-73 по показателям прочности и теплостойкости обладает наилучшими характеристиками, однако по показателям технологичности (режимы склеивания) он не может быть использован для клеесварной технологии. Таким образом, наиболее перспективными материалами для клеесварной технологии являются клеи марок ВК-27 и ЦМК-3. При выборе клеевых материалов для клеесварной технологии необходимо учитывать их тепло- и электрофизические свойства (коэффициент теплопроводности, удельное объемное электрическое сопротивление, тангенс угла диэлектрических потерь, диэлектрическую проницаемость), так как именно от этих параметров существенным образом зависит качество сварки и, следовательно, прочность литого ядра сварной точки [22, 27]. Большинство клеев имеют коэффициент теплопроводности в пределах 0,1…0,3 Вт/(м⋅К). При введении в них теплопроводных наполнителей коэффициент теплопроводности можно повысить до 2,0…20 Вт/(м⋅К). Наибольшей теплопроводностью обладают клеевые материалы, в которых в качестве наполнителей использованы алюминиевая пудра или нитрид бора [23, 24, 27]. Таблица 3.3 Свойства клеев, применяемых для склеивания металлов, разработанных ООО «Композит» Показатели Количество компонентов Жизнеспособность клея в готовом виде при комнатной температуре, ч Режим отверждения: – температура, °С; – время, ч Предел прочности при сдвиге для Д16АТ при температуре, МПа +20°С +80°С Предел прочности при отрыве для Д16АТ при температуре, МПа –20°С +80°С Интервал рабочих температур, °С

ЦМК-3 3

Марки клеев ЦМК-5 ЦМК-73 3 3

3

4

2

15…20 24

15…20 120

15…25 72

15 12

25 18

22 19

40 35 –60… +150

35 30 –196… +200

25 20 –150… +150

52

Таким образом, для клеесварной технологии по неотвержденному слою клея могут быть использованы кремнийорганические и эпоксидные клеи, предназначенные для склеивания металла и имеющие в своем составе тепло- и электропроводные наполнители. Основным требованием, предъявляемым к данным материалам, является способность выжиматься под давлением электродов с контактных площадок. 3.2. Реологические свойства клеевых материалов, используемых для создания клеесварных соединений Реологические свойства клея влияют на процесс смачивания и растекания его по поверхности. Основными реологическими характеристиками клея в процессе его нанесения являются [15]: – поверхностное натяжение и зависящий от него краевой угол смачивания; – вязкость. При нанесении любого жидкого материала (в том числе и клея) на плоскую поверхность он растекается по ней с образование угла, который получил название краевой угол смачивания θ (рис. 3.1). При значениях краевого угла смачивания θ > 90° клей по поверхности самопроизвольно не растекается (поверхность данным клеем не смачивается), а при θ < 90°, наоборот, имеет место растекание. При полном растекании значения краевого угла смачивания равны 0. Значения краевого угла смачивания (его принято обозначать через cosθ) зависят от температуры Т и времени t: cos θ = f (T , t ).

(3.1)

Уравнение (3.1) справедливо только для термореактивных клеев, которые в процессе растекания могут достигать своих равновесных значений. При краевом угле смачивания, близком к 1…2°, имеет место полное растекание и, наоборот, при угле около 180° наблюдается полное несмачивание. Оба свойства одинаково отрицательно влияют на конечный результат. Оптимальный θ клея, используемого для клеесварной технологии, находится в пределах 20…40° и достигается

53

при правильном подборе клеев для конкретных материалов с учетом полярности обоих субстратов.

а

б

Рис. 3.1. Капля жидкости на твердой поверхности при значениях краевого угла смачивания θ > 90° (а) и θ < 90° (б)

Для клеевых материалов, используемых при клеесварной технологии сборки, еще одним важнейшим реологическим свойством, оказывающим влияние на качество готовых изделий, является вязкость. Вязкость может характеризоваться двумя величинами: – мм2/с или Стокс (Ст), чаще ее оценивают в сантиСтоксах (сСт), 1 Ст = 100 сСт; 1 мм2/с = 1. Эта вязкость называется кинематической и обозначается символом υ. Для полимерных связующих ее оценивают по ГОСТ 9070-75. – Па⋅с или пуаз (Пз), чаще ее обозначают в сантиПуазах (сПз), 1 МПа·с = 1 сПз. Эта вязкость называется динамической и обозначается символом η. Для полимерных связующих ее оценивают по ГОСТ 18249-72 (Пластмассы. Метод определения динамической вязкости разбавленных растворов) или ГОСТ 25276-82 (Полимеры. Метод определения вязкости ротационным вискозиметром при определении скорости сдвига). Динамическая вязкость η связана с кинематической υ через плотность ρ:

ν=

η . ρ

(3.2)

Кинематическую вязкость определяют для жидких систем, например: водных лакокрасочных материалов, мономерных клеев и т.д. Значения динамической вязкости определяют для связующих, клеев и т.д.

54

Значение динамической вязкости может быть определено на ротационных вискозиметрах трех типов, которые отличаются между собой конструкцией измерительной ячейки: – коаксиальные цилиндры (рис. 3.2, а); – система конус – плоскость (рис. 3.2, б); – система плоскость – плоскость (рис. 3.2, в).

а

б

в

Рис. 3.2. Схемы измерительных ячеек ротационных вискозиметров коаксиальные цилиндры – а; конус-плоскость – б и плоскость-плоскость – в: 1 – конус; 2 – исследуемый образец клея; 3 – плоскость

Выбор типа измерительной ячейки определяется свойствами исследуемого материала. Для высоконаполненных клеев, в состав которых входят крупнодисперсные наполнители, используют систему плоскость – плоскость, для всех остальных могут быть применены как коаксиальные цилиндры, так и конус – плоскость. Последние получают все большее распространение, что связано с удобством проведения измерений и небольшими временными затратами на очистку ячеек после проведения испытаний. Еще одним преимуществом измерительных ячеек плоскость – плоскость и конус – плоскость является очень малый расход материала, не более нескольких граммов. Точность проведения измерений при использовании измерительных ячеек конус – плоскость и плоскость – плоскость составляет – ±2%, а для ячеек коаксиальные цилиндры – ±1% [7, 48].

55

Вязкость клеевых материалов зависит от следующих основных параметров: – температуры испытаний (ее величина должна быть постоянной в пределах ±0,1°С); это достигается тем, что вискозиметр соединяют с циркуляционным термостатом, который обеспечивает подвод или отвод тепла; – физико-химической природы исследуемого материала [48]. На величину вязкости существенное влияние также оказывают условия проведения испытаний, что во многом определяется таким параметром, как скорость сдвига (обозначается символом γ ). Большой разброс в величинах динамической вязкости, определенных для одних и тех же материалов, связан именно с влиянием скорости сдвига. Для того чтобы иметь возможность сравнивать между собой материалы, необходимо их испытывать при одной и той же скорости сдвига. Давление также оказывает влияние на величину определяемой вязкости, однако на практике подавляющее большинство вискозиметров позволяют определять значения вязкости при нормальном давлении, поскольку они имеют открытые измерительные ячейки. Существенное влияние на величину измеряемой вязкости оказывает сдвиговая предыстория (наследственность). Это особенно важно для высоконаполненных клеевых материалов. Отличительной особенностью испытания большинства клеевых материалов является тот факт, что они относятся к неньютоновским жидкостям (их течение отличается от идеального). В машиностроении наибольшее распространение при определении динамической вязкости получили ротационные вискозиметры (рис. 3.3). При их использовании принцип измерения вязкости заключается в измерении частоты вращения ротора при заданном вращающемся моменте. Исследуемый состав клея помещается на измерительную плиту (рис. 3.3, в). Масса образцов клея, необходимого для измерения вязкости, составляла около 1…1,5 мл. Количество исследуемого материала выбирается из условия его равномерного выдавливания с обеих сторон системы конус-плоскость (как это показано на рис. 3.3, г).

56

а

б

в

г

Рис. 3.3. Фото вискозиметра марки СAP 2000+ (а, б) и его измерительной ячейки до (в) и после (г) измерений

Значение вязкости может быть определено двумя способами: вручную, путем предварительной тарировки прибора (значение вязкости показывает цифровое табло, рис. 3.3, б), и с помощью специального программного обеспечения. Второй способ является существенно удобнее, поскольку данная программа автоматически, наряду с вязкостью, определяет значение скорости и напряжения сдвига. Точность измерений определяется точностью задания момента вращения и точностью задания вращения ротора. Значения вязкости для клеев, используемых при клеесварной технологии, в зависимости от степени наполнения приведены в табл. 3.4. Как следует из приведенных данных, при степени наполне-

57

ния от 5 до 50 масс.ч. вязкость изменяется незначительно, и при таких степенях наполнения клеевой материал сохраняет текучесть (способность самопроизвольно растекаться по поверхности металла в слое толщиной 0,5…1,0 мм). Увеличение количества вводимого наполнителя от 100 масс.ч. и более приводит к резкому нарастанию вязкости, и при таких степенях наполнения клеевой материал по внешнему виду похож на мастику, которая может быть нанесена на поверхность толщиной 3 мм и даже более. Таблица 3.4 Зависимость вязкости клея ЦМК-3 от количества наполнителя (нитрида бора) Количество вводимого наполнителя, масс.ч. 0 5 10 50 100 150 200

Вязкость, МПа⋅с 5193 6320 7140 9890 19640 29760 63970

Измерения значений вязкости необходимо проводить при температуре +18°С. Следует учитывать, что даже незначительное повышение температуры приводит к существенному снижению вязкости (табл. 3.5). Например, при повышении температуры до +25°С величина уплотняемого зазора уменьшается практически на 20%. Поэтому для обеспечения стабильности технологического процесса проведения клеесварки поддержание заданной температуры в рабочих помещениях является одним из важнейших требований. Таблица 3.5 Зависимость вязкости клея ЦМК-3 (без наполнителя) от температуры Температура, °С 18 25 30 35

Вязкость, МПа⋅с 5193 4258 2833 1052

При значениях вязкости менее 5 МПа·с нецелесообразно использовать ротационные вискозиметры и следует применять капил-

58

лярные (определять значения не динамической, а кинематической вязкости). В этом случае исследуемый состав клея помещается на специальную поверхность (плоскость), она называется «активная поверхность» и всегда расположена на неподвижном основании. Верхняя пластина (конус) является подвижной и вращается относительно нижней с постоянной скоростью. 3.3. Упругие характеристики клеевых материалов, используемых для клеесварной технологии Для разработки технологического процесса клеесварки необходимо знать значения упругих характеристик клеевого материала, которые зависят от состава клея, в том числе и от количества введенного в него наполнителя. Основными упругими характеристиками клеевых материалов, которые необходимо учитывать при создании клеесварных соединений, являются значения модуля упругости Е', модуля потерь Е'' и тангенса угла механических потерь tgδ. Модуль упругости Е' (или модуль сохраняемости), характеризующий способность клеевого материала накапливать энергию, представляет собой меру жесткости вязкоупругого материала и пропорционален максимуму сохраненной упругой работы во время одного периода нагрузки. Модуль потерь Е'' (или модуль вязкости) характеризует ту часть энергии, которая рассеивается в материале, в том числе и тепловую энергию. Коэффициент потерь tgδ (тангенс угла механических потерь) характеризует отношение между вязким и упругим компонентами. Чем меньше значение tgδ, тем эластичнее материал:

E ′′ . (3.3) E′ Наиболее информативным методом определения упругих харакtgδ =

теристик клеевых материалов является динамомеханический анализ (ДМА). Метод динамомеханического анализа относится к группе тер-

59

моаналитических методов и позволяет получать информацию об изменении механических свойств исследуемого материала под воздействием синусоидальной нагрузки в зависимости от изменения температуры [49]. Точность определения значений силы и перемещений составляет не более 1%, точность определения угла сдвига между циклами силы и перемещения равна 0,1°. Общий вид прибора ДМА показан на рис. 3.4. Он состоит из измерительного блока, где имеются держатели для закрепления исследуемых образцов и приложения к ним синусоидальной нагрузки и нагревательного блока. Испытания можно проводить в широком диапазоне режимов, что задается с помощью системы контроллеров. При приложении к исследуемому материалу синусоидальной нагрузки в нем возникает ответный сигнал – деформация, однако в зависимости от вязко-упругих свойств исследуемого материала может иметь место реакция материала на приложенную нагрузку [49]: σ = σ0 sin wt ,

(3.4)

ε = ε0 sin wt ,

(3.5)

где σ – напряжение в момент времени t; σ0 – максимальное напряжение; w – частота колебаний; ε0 – деформация образца, соответствующая максимальному напряжению. Общий вид зависимости приложенной силы от времени показан на рис. 3.5. Если образец обладает не только упругими свойствами (рис. 3.5 (1)) и, следовательно, δ = 0°, то напряжение и деформация совпадают по фазе. Примерами таких материалов являются большинство металлов и сплавов. Если δ = 90°, то образец ведет себя как вязкая система. Примерами таких материалов являются любые жидкости. Отличительной особенностью наполненных клеевых материалов, используемых для создания клеесварных соединений, является тот факт, что они одновременно обладают свойствами и жидкости, и твердого тела и из-за вязкой составляющей (высокоэластическое состояние) напряжения будут смещены на некоторый угол δ по отношению к налагаемым деформациям:

60

ε = ε0 sin(wt + δ ).

(3.6)

Значения δ для полимеров изменяются в диапазоне от 0 до 90°. Зная величину смещения, можно определить три основные характеристики полимеров: модуль упругости Е', модуль потерь Е'' и тангенс угла механических потерь tgδ. Наряду со значениями модулей упругости и потерь, методом ДМА также можно определять следующие характеристики: значение комплексного модуля |E*|, величину комплексной вязкости |n*|, значение динамической вязкости n', величину упругой и вязкой податливости D' и D'' соответственно, а также значение комплексной податливости |D*|, величины статического dL и динамического прогибов [28, 49].

3

1

2

Рис. 3.4. Внешний вид и основные элементы прибора DMA 242 E Artemis: 1 – измерительный блок; 2 – контроллер; 3 – система охлаждения

При испытании методом ДМА могут быть использованы следующие виды нагружения: трехточечный изгиб, двухплечевой изгиб, одноплечевой изгиб, растяжение, сжатие (пенетрация) и сдвиг. Накопленный экспериментальный опыт проведения исследований методом ДМА показал, что при установке образца при его нагружении на трехточечный изгиб (рис. 3.6) сам образец непосредственно в держателе не фиксируется, и поэтому на результаты эксперимента

61

крайне важное значение будет оказывать точность, с которой проведена установка. Необходимо, чтобы ось симметрии рамки полностью совпала с осью симметрии образца.

1

2

3

Рис. 3.5. Общий вид изменения деформации в зависимости от свойств материала: 1 – материал деформируется упруго; 2 – материал деформируется вязко; 3 – материал деформируется вязко-упруго

Рис. 3.6. Образец полимерного материала при его испытании на трехточечный изгиб

В соответствии с ISO 6721 методом ДМА определяют значение динамических модулей упругости для материалов в диапазоне от 10 МПа до 200 ГПа.

62

Международный стандарт ISO 6721 постоянно совершенствуется. Так, например, ISO 6721-1:1994 регламентирует методику определения динамических механических характеристик любых полимерных материалов, а в стандарт – ISO 6721-6:1996 уже включена методика определения динамических механических характеристик для случаев сдвиговых вибраций. На рис. 3.7 приведены результаты определения свойств клеевого материала марки ЦМК-3 при испытании методом ДМА на трехточечный изгиб. Все испытания полимерных материалов проводили на следующих режимах: – частота колебаний 1 Гц; – амплитуда 50 мкм; – динамическая сила 10 Н; – коэффициент пропорциональности 1,2; – скорость подъема температур 2 к/мин.

3

1 2

Рис. 3.7. Зависимость модуля упругости (1) и тангенса угла механических потерь (2) от времени и температуры (3) для клея ЦМК-3 без содержания наполнителя, полученные методом ДМА [33]

Исследования методом ДМА могут быть проведены с двумя типами образцов. Первый тип образцов представляет собой брусок

63

клея, изготовленный по стандартной методике [33, 49] в соответствии с ISO 6721-1:2001. Второй тип образцов представляет собой клеевое соединение на сдвиг. Результаты ДМА эпоксидных клеевых материалов с различным содержанием нитрида бора и различных образцов приведены в табл. 3.6 [33]. Из приведенных данных видно, что введение наполнителя приводит к увеличению их модулей упругости. Однако образцы в виде клеевого соединения являются существенно менее чувствительны к составу клея и показывают более низкие значения модуля упругости. Вероятно, это связано с большим влиянием материала склеиваемых образцов и очень малой толщиной клеевого шва. Таблица 3.6 Результаты измерений модулей при комнатной температуре в зависимости от содержания наполнителя Тип образца № Марка клея и содержание состава в нем нитрида бора, масс. ч. 1 2 3 4 5 6 7 8 9

ЦМК-3 без наполнителя ЦМК-3 +20 ЦМК-3+40 ЦМК-3+90 ЦМК-3+120 ВК-27 без наполнителя ВК-27+20 ВК-27+40 ВК-27+60

Клеевое соединение Модули, МПа Упругости Потерь Упругости Потерь 1650 1440 980 320 1950 1130 1030 418 2330 984 1049 380 3110 640 1090 400 3695 620 1100 410 2370 1060 1200 440 2790 1080 1210 450 2990 1090 1230 455 3040 1140 1260 470 Брусок

Таким образом, значения модулей упругости и потерь необходимо определять, используя образцы в виде бруска, а не клеевого соединения. 3.4. Теплофизические свойства клеевых материалов, используемых для клеесварной технологии Теплофизические свойства клеевых материалов, используемых для создания клеесварных соединений, являются их важнейшей характеристикой. Чаще всего не прочность, а именно тепло- и термо-

64

стойкость является определяющим фактором при выборе типа полимерного материала для создания клеесварных соединений, так как при точечной сварке возникают высокие температуры, составляющие около +1000°С и выше. Следует различать термо- и теплостойкость клеевых материалов. Термостойкость характеризует устойчивость клеевых материалов к деструкции (химическому разложению) при действии высоких температур. Под теплостойкостью понимают способность клеевых материалов сохранять форму (исходные жесткостные свойства) при одновременном воздействии нагрузки и температуры. Эта характеристика является во многом условной, поскольку даже незначительное повышение температуры приводит к потере жесткостных характеристик любого полимера. Все зависит только от того, с какой степенью точности определять это снижение жесткости. Стойкость клеев к действию повышенных температур наиболее эффективно оценивать по двум показателям: – температура стеклования (характеризует теплостойкость) [7]; – температура, при которой имеет место начало потери массы (характеризует термостойкость) [33]. Важнейшей характеристикой, позволяющей очень точно оценить теплостойкость клеевых материалов, является температура стеклования [7, 33]. Эта величина закладывается в расчеты при оценке геометрических характеристик элементов конструкций, например их толщин [4]. Эта же характеристика является определяющей и при разработке новых технологических процессов изготовления деталей с использованием клеевых материалов. Знание точных значений температуры стеклования очень важно при определении областей применения новых клеевых материалов. Температура стеклования (Тс) – это температура, при которой возникает подвижность сегментов полимерных цепей (начинается потеря жесткости). Этот переход может происходить в достаточно большом диапазоне, который может составлять несколько десятков градусов.

65

Температура стеклования соответствует верхней температурной границе теплостойкости клея. Низкие Тс характерны для полимеров с гибкими макромолекулами (например, кремнийорганических), высокие – для полимеров с жесткими макромолекулами (например, эпоксидных). Введение пластификатора всегда снижает Тс, тогда как введение наполнителя, наоборот, ее повышает. Стеклование полимеров является релаксационным процессом, поскольку перемещаются сегменты макромолекул, содержащие в цепи 5…20 атомов. Эти перемещения возможны, поскольку в клее всегда имеется свободный объем в виде микропор. Однако именно при температуре стеклования величина свободного объема достигает своего минимального значения. При отверждении термореактивных материалов (например, эпоксидных) величина свободного объема также уменьшается. Величина температуры стеклования в большей степени определяется химической природой клея [8], однако тип и количество наполнителя также будет влиять на величину температуры стеклования. Для определения температуры стеклования и характера поведения клеевых материалов при воздействии высоких температур широко используются методы дифференциально-термического анализа (ДТА) и дифференциально-сканирующей калориметрии (ДСК), которые позволяют оценивать весь комплекс свойств клеевых материалов. Слово «дифференциальный» обозначает, что определяется производная теплоты по времени и имеет место определение разности температур между образцом и эталоном [6, 36]. Методы ДТА и ДСК связаны с измерением изменений энергии и дают однотипную информацию. С практической точки зрения разница заключается в принципах устройства и работы приборов: в ДТА измеряют разность температур между пробой и эталоном, тогда как в ДСК температуры пробы и эталона поддерживают равными и контролируют разницу в необходимой для этого мощности нагрева. Измерения абсолютной температуры образца и разницы температур, возникающей между образцом и эталоном (которая пропорциональна разности

66

теплового потока между ними), позволяют проводить количественную оценку тепловых эффектов, протекающих в клеевом материале. При возникновении в исследуемом образце клеевого материала каких-либо процессов, или переходов первого рода, связанных с поглощением или выделением тепла (плавление, структурный фазовый переход, испарение и др.), на кривых ДСК отмечаются характерные пики (рис. 3.8) [33]. Изучение этих пиков позволяет получать информацию о протекающих в исследуемом образце процессах. Верхняя кривая описывает поведение клея в процессе его отверждения. Две нижние кривые характеризуют свойства уже отвержденного материала. Точка перегиба на кривой ДСК характеризует температуру стеклования.

Рис. 3.8. Кривая ДСК клея ВК-27, используемого при клеесварной технологии

Метод дифференциально-сканирующей калориметрии (ДСК) получил широкое распространение для оценки очень многих свойств материалов, в том числе и для определения точных значений температур стеклования, которые фактически являются предельным значением температуры, выше которого материал начинает терять свои исходные свойства. Для повышения точности измерений в процессе нагрева производят оценку не самой температуры, до которой нагревается исследуемый материал, а определяют разницу температур между эталоном

67

и исследуемым образцом. В качестве эталона могут быть использованы различные материалы. Выбор эталона определяется непосредственно разработчиками приборов ДСК. Очень удобно в качестве эталона использовать пустой тигель, поскольку это снижает стоимость эксперимента. Дело в том, что все используемые тигли являются одноразовыми и имеют достаточно высокую стоимость; пустой тигель может быть использован в качестве эталона многократно. Кривые ДСК представляют собой графическое изображение теплового потока в зависимости от температуры при заданной скорости нагрева для образца данной конкретной массы. В зависимости от типа используемого прибора ДСК используются различные формы и размеры тиглей. Масса исследуемого образца зависит от размеров используемого тигля и может изменяться от 1 до 50 мг. В зависимости от поставленной задачи скорость нагрева можно изменять в достаточно широких пределах. Образец во время нагрева находится в атмосфере аргона. Кривая ДСК (рис. 3.8) является типичной для всех термореактивных полимеров, к которым относятся все эпоксидные материалы, в том числе и модифицированные, фенольные пластики, полиэфиры и т.д. Как правило, на графиках ДСК одновременно находятся несколько кривых. Первая характеризует поведение материала при первом нагреве, вторая при втором и т.д. При проведении стандартных исследований, как правило, ограничиваются тремя нагревами (в этом случае на графике имеются три кривые). Однако, если для проведения исследований требуется увеличить количество прогревов, то кривых ДСК может быть существенно больше. При первом нагреве термореактивного полимера он из жидкого состояния переходит в твердое, при втором и всех последующих нагревах определяется теплостойкость отвержденного полимера. В табл. 3.7 приведены значения температур, найденные по данным кривой ДСК (рис. 3.8). Особенностью полимерных материалов является тот факт, что процессы их полимеризации могут происходить как с выделением, так

68

и с поглощением тепла. Также по форме пиков на кривой ДСК можно определить, к какому классу полимеров (термореактивных или термопластичных) относится данный материал. Такие задачи возникают в тех случаях, когда у исследователей имеется образец материала с очень хорошим комплексом свойств и стоит задача его идентифицировать. Некоторые из типовых кривых ДСК показаны на рис. 3.9 [6, 36]. Таблица 3.7 Теплофизические характеристики материала, определенные по данным кривой ДСК Определяемые характеристики Температура начала химической реакции процесса полимеризации, °С Температура окончания химической реакции процесса полимеризации, °С Температура наибольшей скорости химической реакции процесса отверждения, °С Количество выделяемой теплоты, Дж/г Общая продолжительность процесса отверждения, сопровождающегося выделением тепла, мин

Значения 83 182 122,22 84,02 9,9

Используя кривые ДСК, можно получить количественные характеристики теплофизических свойств клеевых материалов. Площадь пика S, ограниченная кривой ДСК и базовой линией, пропорциональна величине теплового эффекта реакции:

S=

mΔH , λg

mΔH = K1 S,

R

d (t m − t э ) dH dt = (t m − tэ ) + RCm + R(Cm − Cэ ) , dτ dτ dτ

(3.7) (3.8)

(3.9)

где S – площадь пика; m – масса образца (г); ΔН – теплота реакции (энтальпия) (Дж); λ – коэффициент теплопроводности (Дж/град·с); g – коэффициент, учитывающий геометрическую форму тигля (см); K1 – калибровочный коэффициент; Сm – удельная теплоемкость (Дж/г⋅К); R – сопротивление (Ом), τ – время (с). Правая часть уравнения (3.9) состоит из трех слагаемых. Первое слагаемое представляет собой разницу температур между исследуе-

69

мым образцом tm и эталоном tэ. Второе слагаемое представляет собой угол наклона кривой ДСК в любой ее точке. Третье слагаемое характеризует поведение базовой линии (базовой или нулевой линией принято называть теоретическую горизонтальную прямую, перпендикулярную оси ординат в точке А начала записи кривой ДСК). m ⋅ ΔH , (3.10) K= 60 ⋅ A ⋅ B ⋅ Sy где K – коэффициент калибровки, Вт/мВ; m – масса эталонного образца, г; ΔH – тепловой эффект плавления, Дж/г (ΔHIn = 28,5 Дж/г, Tпл = = 156,2°С); A – площадь пика под кривой ДСК, см2; B – масштаб по оси времени, мин/см B = ΔT/V; Sy – калориметрическая чувствительность прибора. Q

Q

Т

Т б

а Q

Q

Т

Т в

г

Рис. 3.9. Общий вид пиков на кривой ДСК при отверждении полимера с выделением тепла (а); с поглощением тепла (б); при оценке величины температуры стеклования (в); гибридный материал, состоящий из смеси двух полимеров (г): Q – тепловой поток; Т – температура

70

Из этого уравнения можно найти общее значение теплового эффекта: 60 ⋅ A ⋅ B ⋅ Sy ⋅ K (3.11) ΔH = (Дж/г). m Широкое применение метода ДСК связано со следующими его преимуществами [6, 33]: – небольшой размер навески исследуемого образца (это позволяет проводить исследования новейших типов материалов и исследовать их свойства в зависимости от даже незначительного изменения их компонентного состава; – возможность исследовать свойства материалов в различных агрегатных состояниях (как в жидком, так и в твердом), что позволяет прогнозировать поведение материала в процессе сварки и на протяжении всего жизненного цикла изделия; – высочайшая степень точности при определении режимов отверждения (имеется возможность отслеживать технологические режимы в зависимости от качества используемых компонентов, например: от их влажности, содержания летучих, фазового состава и др.); – относительная простота проведения исследований (получение практических навыков работы на приборах ДСК не требует длительного обучения); – простота интерпретации полученных результатов (например, по сравнению с методом ИК-спектроскопии, при котором основная сложность заключается не в снятии с прибора информации, а в ее расшифровке и идентификации); – относительно небольшая продолжительность испытаний (в зависимости от заданных режимов нагрева и охлаждения для снятия одной кривой ДСК достаточно 1 часа). К недостаткам метода ДСК следует отнести достаточно высокую стоимость прибора и необходимость устанавливать оборудование в специальном помещении, соответствующем всем требованиям безопасности. О разложении клеевого материала под действием повышенных температур (термостойкости) судят по изменению его массы, которая

71

оценивается методом термогравиметрического анализа (ТГА). Суть метода ТГА состоит в том, что измеряется масса (точнее, ее потери) исследуемого материала в процессе его нагревания. Этот метод исследования может быть использован только при изучении свойств твердых тел (таким образом нельзя изучать свойства неотвержденного клея). Изменение массы отвержденного клеевого материала во время нагревания связано с его деструкцией, которая сопровождается выделением газов. Методом ТГА регистрируется потеря массы образца, и поэтому получаемая зависимость (рис. 3.10) часто называется кривой потери массы [7]. На первой стадии процесса нагревания (до 100°С) уменьшение массы образца отвержденного клеевого материала может быть связано с испарением воды, которую сорбировал клей или наполнитель (например, в результате длительного хранения). Это физические процессы, никак не связанные с процессами деструкции, однако они также могут быть точно определены методом ТГА.

Рис. 3.10. Кривая ТГА для полимера, содержащего термочувствительный наполнитель

Для регистрации изменения массы используют высокочувствительные приборы, называемые дериватографами, главными элементами которых являются прецизионные весы и высокоточное нагревательное устройство. Термогравиметрический анализ позволяет решать ряд практических задач: устанавливать предельные температуры переработки клеевых материалов, выбирать добавки для регулирования свойств и др.

72

Типовая зависимость потерь массы от температуры для эпоксидного клея, используемого для клеесварной технологии сборки, показана на рис. 3.11. Точка А на рис. 3.11, которая соответствует началу падения массы исследуемого образца, соответствует началу температуры деструкции. Методика использования метода ТГА изложена в международном стандарте ASTM E1641-99. Если в каждой точке кривой ТГА взять производную (определить скорость изменения потери массы), то будет получена кривая дифференциально-термогравиметрического анализа (ДТА) (рис. 3.12). Даже самое незначительное изменение массы, которое сложно визуально определить по кривой ТГА, будет сразу же хорошо заметно по ДТА. Большинство современных приборов ТГА позволяют в автоматическом режиме строить кривую ДТА и также в автоматическом режиме определять величину энергии активации.

Рис. 3.11. Типовая термогравиметрическая кривая для эпоксидного клея, используемого для клеесварной технологии сборки

Имея кривую ДТА, по уравнениям определяют значение энергии активации Е, которая характеризует реакционную способность исследуемого материала. Эту величину можно определить по кривой ТГА,

73

по тангенсу угла наклона прямой или по кривой ДТА по приведенной ниже формуле: n

⎛W ⎞ dW 1 = k0e −E /R|T ⎜ ⎟ , d τ Wk ⎝ Wk ⎠

(3.12)

где k0 – коэффициент, зависящий от особенностей используемого прибора ТГА; Wk и W – потери массы в заданный момент времени исследуемого материала и эталона соответственно; Е – величина энергии активации; R – универсальная газовая постоянная; Т – температура. Т,°С

Время Рис. 3.12. Типовая дифференциально-термогравиметрическая кривая

К преимуществам метода ТГА относятся [7]: – простота оценки динамики процесса изменения свойств (этот метод используется всегда для сравнительной оценки нескольких материалов между собой); – наглядность представления результатов. Недостатки метода ТГА: – фиксирует только результат изменения свойств на макроуровне; – не позволяет понять причин изменения свойств; – не позволяет точно оценить скорость изменения исследуемого параметра.

74

3.5. Влияние наполнителей на тепло- и термостойкость клеевых материалов, используемых для клеесварной технологии

Термо- и теплостойкость существенным образом зависит не только от химической природы полимера, но и от вида и количества используемого наполнителя. Диапазон рабочих температур клеевых материалов можно существенным образом увеличить путем введения в их состав наполнителей с высоким коэффициентом теплопроводности [25, 40]. С увеличением доли наполнителя в клеевом материале коэффициент теплопроводности материала будет возрастать практически линейно. Показатели теплопроводности для наиболее распространенных теплопроводных наполнителей приведены в табл. 3.8 [21, 40, 46]. Таблица 3.8 Температурные характеристики наполнителей для клеевых материалов Тип наполнителя Алюминиевая пудра Медный порошок Асбест (переработанный) Двуокись титана Нитрид бора Карбид титана Шунгит Графит

Температура, °С 20 100 20 100 20 100 300 100 200 400 20 100 20 100 100 200 400 100 200 400

Коэф. теплопроводности, Вт/(м·°К) 126 200 165 181 0,09 0,11 0,15 6,53 4,99 3,91 20 36,4 29 41,8 5,2 7,3 8,9 110 128 140

Для повышения термо- и теплостойкости клеевых материалов, используемых при клеесварной технологии сборки, наиболее часто применяют в качестве наполнителей следующие материалы: порошок

75

железа (наибольшее распространение получила марка ПЖР 3.200.26), порошкообразную медь, алюминиевый порошок, технический углерод, двуокись титана и др. Наиболее перспективными теплопроводными наполнителями для модификации свойств полимерных материалов, используемых при производстве и ремонте машин, являются нитрид бора, шунгит и различные типы графита (природный и синтетический) [7, 42, 46]. Введение в состав клеев в качестве наполнителя нитрида бора оказывает незначительное влияние на температуру стеклования (табл. 3.9). Так, при введении 40 масс.ч. нитрида бора температура стеклования и для клея ЦКМ-3, и для клея ВК-27 увеличивается на 6,3% (с 143°С до 154°С) и на 6,5% (с 153°С до 165°С) соответственно. Таблица 3.9 Тепло- и термостойкость клеевых материалов, используемых при создании клеесварных соединений [33] № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Марка клея и содержание наполнителя, масс. ч. ЦМК-3 без наполнителя ЦМК-3 + 20 ЦМК-3 + 40 ЦМК-3 + 90 ЦМК-3 + 120 ВК-27 без наполнителя ВК-27 + 20 ВК-27 + 40 ВК-27 + 60

Температура стеклования, °С, определенная методами ДСК ДМА

Температура начала термодеструкции, °С

143

141

295

149 154 154 159

174 144 148 148

308 316 325 347

163

151

330

162 165 167

156 157 156

345 360 386

Несколько большее влияние наполнитель оказывает на температуру начала термодеструкции. Для ненаполненного клея марки ВК27 она составляла 330°С, а при введении в состав клея 60 масс. ч. нитрида бора увеличилась на 17% и составила 386°С. При содержании наполнителя в количестве 40 масс. ч. температура начала термодеструкции для клеев ЦМК-3 и ВК-27 увеличилась на 6…7%. Чем выше значение начала термодеструкции, тем больше приспособлен такой клеевой материал для клеесварной технологии, по-

76

скольку при сварке возникают кратковременные высокие температуры. Если в процессе сварки клеевой материал начнет деструктировать, то это приведет к засорению литого ядра продуктами деструкции. Анализ полученных результатов (табл. 3.9) показал, что значения температур стеклования, найденные методами ДСК и ДМА, отличаются между собой не более чем на 5%, и для всех исследуемых материалов они выше при их оценке методом ДМА. 3.6. Влияние наполнителей на микротвердость сварной точки и околошовной зоны

При сварке вследствие высоких температур имеет место существенное термическое влияние [13, 27, 38], что приводит к частичному выгоранию клея и разупрочнению основного металла в зоне термического влияния (зоне шлаковых включений). Минимизировать отрицательное влияние клея на качество сварной точки и околошовной зоны можно путем введения в его состав теплопроводных наполнителей (см. разд. 3.4–3.5). Определить влияние клеевого материала на качество клеесварного соединения можно по изменению микротвердости сварной точки и околошовной зоны. Для определения твердости сварной точки и околошовной зоны изготавливали шлифы. Из средней части образца (сварного или клеесварного), разрушенного после механических испытаний, вырезают сварную точку с прилегающей зоной шлаковых включений и клеевого шва и изготавливают шлиф. Изготовленные шлифы обрабатывают на специальном шлифовальном оборудовании и, далее, доводят вручную (как правило, алмазным порошком). Фото микроструктуры сварного и клеесварного образцов показаны на рис. 3.13 и 3.14 (шкала равна 200 мкм). Анализ фото микроструктур показал, что при использовании клея, не содержащего в своем составе нитрида бора, микроструктура более рыхлая (рис. 3.14, в, г) [29]. Введение в состав клея наполнителя приводит к созданию более однородной микроструктуры околошовной зоны (рис. 3.14, а, б), которая внешне очень близка к микроструктуре околошовной зоны сварного соединения (рис. 3.13).

77 3 2

1

Рис. 3.13. Фотография сварной точки: 1 – область, где располагалось литое ядро; 2 – околошовная зона; 3 – основной металл

а

б

в

г

Рис. 3.14. Фотография околошовной зоны клеесварной точки при использовании клея ЦКМ-3 с 30 масс. ч. нитрида бора (а, б) и без наполнителя (в, г) [29, 33]

78

Микротвердость по Виккерсу (HV) удобно определять на автоматическом микротвердомере (например, EmcoTestDuraScan 20, рис. 3.15, а) при нагрузке 0,2 кг по длине и ширине сварной точки и околошовной зоны. Поскольку литое ядро симметрично, то определение твердости по ширине образца проводят от центра литого ядра к его периферии в обе стороны.

а

б

Рис. 3.15. Внешний вид автоматического микротвердомера EmcoTestDuraScan 20 (а) с установленным шлифом (б)

Для удобства обозначения мест измерения твердости и сравнения полученных результатов используют следующее обозначение: точки, находящиеся слева от центра литого ядра, обозначают четными цифрами (2, 4, 6, 8, 10), а справа – нечетными (1, 3, 5, 7, 9). Центр литого ядра обозначается цифрой 0. Схема сварного и клеесварного соединения с обозначением точек, в которых определяется твердость, показаны на рис. 3.16, а, б [29]. Значения твердости для соединений, полученных с использованием традиционной точечной сварки и клеесварки (клей ЦМК-5), приведены в табл. 3.10 и для удобства сравнения полученных результатов – на рис. 3.16, в. Как следует из полученных данных, максимальные значения твердости наблюдаются в самом центре литого ядра. По мере удаления от центра и по ширине, и по длине литого ядра имеет место уменьшение твердости.

79

а

б 500 HV

Традиционная точечная сварка ЦМК-5 без наполнителя ЦМК-5 + 40% нитрида бора

400 300 200 100 0 10

8

6

4

2

0

1

3

5

7

9

в Рис. 3.16. Схема сварного (а) и клеесварного (б) соединений с обозначением точек, в которых проводилось измерение твердости, и полученные значения твердости по линии 0 (в) [29, 33]

80

Таблица 3.10 Значения твердости по Виккерсу (HV) на разных участках сварных и клеесварных соединений Номер точки (рис. 3.16, а) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Точечная сварка (без клея) 497 82 89 115 117 140 140 121 120 – –

Точечная сварка по клею ЦМК-5 без 20% нитрида 40% нитрида наполнителя бора бора 385 418 423 61 71 73 58 79 81 109 112 113 111 112 115 136 134 138 134 135 136 115 119 120 113 119 118 24 29 36 27 31 38

Использование при точечной сварке клея без наполнителя приводит к снижению значений твердости по сравнению со сваркой без клея. Наиболее заметно (на 22,5%) значения твердости уменьшаются в самом центре литого ядра. Это связано с тем, что клей (без наполнителя) не является тепло- и электропроводным материалом и при сварке фактически выполняет функцию загрязнения. Значения твердости в точках 5 и 6 (рис. 3.16, а) соответствуют твердости основного металла. Между ядром сварной точки и клеевым слоем располагается зона термического влияния или ее еще называют зоной шлаковых включений. По сравнению со сваркой без клея значения твердости на этих участках ниже (на 5%). Значения твердости в точках 7 и 8 (рис. 3.16, а) при сварке по клею, не содержащему в своем составе наполнитель, несколько ниже, чем при сварке без клея. Такое снижение связано с тем, что при сварке клей частично выгорает и ухудшает твердость. Введение в клеевой материал в качестве наполнителя нитрида бора в количествах 20 и 40 масс. ч. приводит к увеличению значений твердости в центре литого ядра на 9% по сравнению с ненаполненным клеем. Установлено, что введение в состав жидкого клея в качестве наполнителя нитрида бора обеспечивает существенное улучше-

81

ние скольжения, и поэтому при давлении (за счет сварной точки) клей более полно удаляется с поверхности. Это скольжение обеспечивается за счет пластинчатой структуры нитрида бора, которая аналогична дисульфиду молибдена или графиту. Однако по сравнению с ними введение нитрида бора не приводит к уменьшению прочностных характеристик клеевого материала. 3.7. Особенности моделирования свойств клеесварных соединений

Простейшее клеесварное соединение представляет собой сварную точку, расположенную в центре клеевого шва. Для расчетов таких соединений могут быть использованы как аналитические, так и численные методы. В самом общем виде процесс моделирования представляет собой замещение исследуемой задачи некой моделью, которая должна отражать основные свойства оригинала и быть доступной для изучения [12, 24]. При математической постановке задачи на самом первом ее этапе проводят структурную идентификацию, которая позволяет качественно описать исследуемые задачи с помощью тех или иных математических операторов. В последнее время в качестве математической модели начали использовать теорию катастроф, которая широко используется для описания многих нелинейных процессов и дает ключ к пониманию огромного количества закономерностей, что связано с их глубиной и простотой [13]. На практике достаточно часто один и тот же исследуемый объект описывается различными математическими моделями [8, 13], которые отличаются числом учитываемых факторов и полнотой описания оригинала. Например, для определения напряженно-деформированного состояния клеевого соединения используют аналитические или численные методы решения. Для построения математических моделей используется итерационный подход, который состоит из следующих действий: – выбирается класс моделей;

82

– разрабатываются методы идентификации подклассов этих моделей; – пробная модель сравнивается с экспериментальными данными; – при обнаружении несоответствия модели рассматриваемому процессу диагностические проверки повторяются, и модель дорабатывается до тех пор, пока не будет найдено ее подходящее описание. Численные методы предпочтительно использовать для соединений сложной формы, поскольку они позволяют точно описать геометрию и условия нагружения [13, 45]. Если же рассматриваются простейшие типы клеевых соединений, такие как сдвиг или отрыв, то в этом случае используют классические аналитические методы. Однако использование аналитических методов, даже для самых простейших конструкций, не позволяет учесть особенности их геометрии и определить локально напряженно-деформированное состояние. Вместе с тем, аналитические методы расчета получили широкое распространение, что связано с их простотой и наглядностью. Их используют при выборе клеевого материала, а также материала субстратов, поскольку они позволяют быстро провести сравнительный анализ множества вариантов и выбрать оптимальный. При моделировании механических свойств клеевых соединений необходимо учитывать влияние поверхностей субстратов (материал, геометрия, шероховатость) и влияние плотности связи на границе раздела, т.е. все виды молекулярного взаимодействия между клеем и склеиваемой поверхностью. В качестве статического критерия прочности клеевых соединений при сдвиге τ и отрыве σ традиционно используют величину среднего разрушающего напряжения (или адгезионную прочность при сдвиге и нормальном отрыве соответственно). Эти значения получают экспериментальным путем, и они входят в большинство аналитических уравнений при расчетах средних и максимальных напряжений. Величина разрушающей нагрузки в существенной степени зависит от геометрии соединения, и поэтому для корректной оценки свойств различных марок клеев между собой определение Р необходимо проводить только

83

при использовании стандартных образцов. В России геометрические размеры образцов при испытаниях на сдвиг определены ГОСТ 14759, на отрыв – ГОСТ 14760 (для цилиндрических образцов) и ГОСТ 18207 (для призматических образцов). Эти методы испытаний применяются для оценки прочности клеевых соединений при использовании жестких (величина относительного удлинения не превышает 5%) клеев. Размеры образцов при испытаниях на сдвиг и отрыв по ASTM и DIN отличаются от ГОСТовских, что приводит к получению завышенных результатов по сравнению с принятыми в России стандартами. Для клеесварных соединений единые требования к размеру образцов отсутствуют. Это приводит к тому, что полученные различными авторами результаты сложно (или даже невозможно) между собой сравнивать. Прочностные характеристики клеевых и клеесварных соединений зависят от внешних факторов, которые оказывают влияние на процессы деградации свойств клеевого материала на разных масштабных уровнях [9, 12, 24]. На рис. 3.17 показаны основные факторы, влияющие на процессы разрушения на микро- и субмикроуровнях, поскольку все процессы разрушения начинаются на субмикроуровне. В настоящее время ограниченное количество расчетов характеристик адгезионных материалов проводят на субмикро- и наноуровнях [9]. Клеевые материалы, несмотря на ряд особенностей, имеют много общего с обычными материалами, для которых одной из важнейших характеристик, влияющей на прочность, является вязкость разрушения. В табл. 3.11 приведены значения вязкости разрушения различных материалов, в том числе и нескольких, наиболее распространенных типов клеев, используемых при клеесварной технологии сборки [7]. Типичные значения вязкости разрушения клеевых материалов на основе эпоксидных и фенолоформальдегидных смол составляют 200…600 Дж/м2. Для клеев-расплавов эта величина на порядок выше. Чем выше значения вязкости разрушения, тем больший вклад в вязкость разрушения вносит энергия пластической деформации. Для сравнения – хрупкие материалы пластически не деформируются даже вблизи поверхности разрушения, например неорганическое стекло.

84

Факторы, вызывающие процессы разрушения

Статические нагрузки

Динамические нагрузки

Старение

Температура

Суммарное воздействие всего комплекса эксплуатационных факторов

Образование повреждений

Субмикроуровень

Накопление повреждений

Образование магистральной трещины

Микроуровень

Лавинообразный рост магистральной трещины

Разрушение Рис. 3.17. Факторы, влияющие на процессы разрушения клеевых соединений

85

Таблица 3.11 Значения вязкости разрушения различных материалов Материалы Алюминий и его сплавы Термопластичные полимеры Эпоксидные клеи Неорганические стекла

Вязкость разрушения, Дж/м2 6·103 2·103 (0,1…6)·102 10–30

Величина вязкости разрушения не входит в математические модели, используемые для расчетов клеевых соединений, но может быть учтена косвенно, например через модуль. Клеевые материалы, так же как и большинство полимеров, имеют нелинейную зависимость деформации от напряжений (рис. 3.18) [7, 41]. Чем выше деформационные свойства используемых клеев, тем сильнее зависимость деформации от напряжений отклоняется от линейности. Для жестких эпоксидных клеев величины деформаций не превышают более 1% и ими при расчетах можно пренебречь. В настоящее время широкое распространение получили модифицированные эпоксидные клеи, в том числе и модифицированные термопластами [48], которые имеют высокие (для эпоксидных клеев) величины относительного удлинения и при их моделировании. Учет нелинейности можно упрощенно проводить, используя несколько модулей упругости, например двух, как это показано на рис. 3.18. Можно использовать усредненное значение этих модулей. К особенностям механических свойств клеевых материалов также следует отнести: – высокие значения коэффициентов Пуассона ν = 0,4…0,5, что позволяет отнести клеи к группе слабосжимаемых материалов; – низкие значения модулей упругости и сдвига G = 0,03…0,2 кг/мм2; – широкий диапазон изменения предельной деформации при растяжении, величина которой может изменяться от ε = 0 (для немодифицированных эпоксидных клеев) до ε = 500% (для полиуретановых и кремнийорганических герметиков). Таким образом, для клеесварных соединений при расчетах учитывают упругие свойства литого ядра сварной точки, значения кото-

86

рых зависят от свойств используемого клея и могут изменяться в самых широких пределах. Кроме различий в геометрии клеесварного соединения, достаточно сложно регламентировать толщину клеевого шва, исключение составляют только пленочные клеевые материалы, которые при клеесварной технологии не используются.

а

б Рис. 3.18. Зависимость напряжений от деформации для эпоксидного клея холодного (а) и горячего отверждения (б)

87

4. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА КЛЕЕСВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ 4.1. Дефекты клеесварных соединений и способы их предотвращения

Как уже было отмечено в предыдущих главах данного пособия, в целом процесс сварки по слою клея протекает менее стабильно, чем традиционная сварка. Дело в том, что клей при проведении сварки фактически является обычным загрязнением, которое ухудшает качество сварной точки [32]. В отличие от сварных и клеевых соединений, все дефекты клеесварного соединения необходимо оценивать в отдельности, т.е. дефекты сварки, связанные с использованием клеевого материала, и дефекты клеевого шва, вызванные применением точечной сварки (табл. 4.1). Основными дефектами сварки в клеесварном соединении являются (табл. 4.1): – Непровары, которые заключаются в уменьшении размеров литого ядра. Основной причиной возникновения непроваров является нарушение температурного режима сварки. – Выплески, которые увеличивают величину вмятины. Основными причинами выплеска является недостаточное усилие сжатия, большая сила сварочного тока, длительность его протекания и неправильная установка электродов. Выплески подразделяются на наружные и внутренние. Наружный выплеск связан с перегревом металла в зоне контакта электрод-деталь. Внутренний выплеск связан с образованием зазора в уплотняющем пояске. – Вмятины, которые ухудшают внешний вид соединения и снижают его прочность. Причиной вмятин является чрезмерное увеличение силы сварочного тока или малая рабочая поверхность электродов. При традиционной точечной сварке (без клея) принимают, что глубина этих вмятин не должна быть более 20% от толщины детали. При клеесварной технологии допустимым считается увеличение глубины вмятины до 30…40%. – Дефекты литой зоны, к которым относятся трещины, усадочные раковины и рыхлости. Трещины образуются под действием растяги-

88

вающих напряжений, возникающих в результате неравномерного нагрева и интенсивного охлаждения. В центре литого ядра образуются раковины, причиной которых является загрязнение поверхности неметаллическими включениями и недостаточное усилие сжатия при сварке. Таблица 4.1 Дефекты клеесварных соединений и причины их возникновения п/п №

Тип дефекта

1

Непровары

2

Наружные выплески

3

Внутренние выплески

4

Вмятины

5 6 7 8 9 10

Дефекты литой зоны (трещины, усадочные раковины и рыхлости) Дефекты сварной точки Отклонение сварных точек от заданной оси Дефекты околошовной зоны Слабая адгезионная прочность Местные непроклеи

Причина возникновения Нарушение (неправильный выбор) температурных режимов сварки Перегрев металла в зоне контакта электроддеталь из-за неправильного выбора режимов сварки (большой силы сварочного тока, времени сварки, неправильной установки электродов) Недостаточное усилие сжатия, которое приводит к образованию зазора в уплотняющем пояске Чрезмерное увеличение силы сварочного тока или малая рабочая поверхность электродов Неравномерный нагрев деталей, загрязнение поверхности неметаллическими включениями, недостаточное усилие сжатия Неполное выдавливание клея с контактных площадок Неравномерная толщина клеевого шва Пластическая деформация металла из-за нагрева ниже температуры плавления Некачественная подготовка поверхности, нарушение режимов отверждения клея Неравномерный зазор между свариваемыми поверхностями, нарушение технологии склеивания

– Отклонение сварных точек от заданной оси (рис. 4.1), которое возникает из-за неравномерной толщины клеевого шва. В клеесварных соединениях отклонение сварных точек от оси намного больше, чем в сварных. – Дефекты сварной точки. Для уменьшения дефектов сварной точки необходимо, чтобы клей полностью выдавился с контактных площадок и пластического кольца вокруг сварной точки. При правильно выбранных режимах качество литого ядра сварной точки должно быть не намного ниже, чем при традиционной точечной сварке без клея. Некоторые из показателей качества сварной точки, (например

89

микротвердость) достаточно легко корректировать путем введения в клеевой материал различных наполнителей (см. разд. 3.6).

Рис. 4.1. Схема расположения сварных точек при сварке по неотвержденному слою клея

– Дефекты околошовной зоны. В околошовной зоне металл нагревается ниже температуры плавления и подвергается пластической деформации. В этой зоне изменяется исходная структура и свойства металла. При сварке холоднокатаных сталей с частичным наклепом в этой зоне происходит повышенный рост зерен. При сварке алюминиевых сплавов наблюдается оплавление легкоплавких составляющих и снижение пластичности. При сварке закаленной стали возникает структура закалки, увеличивается твердость и снижается пластичность. При клеесварной технологии околошовная зона всегда больше, чем при сварке, и ее размеры зависят от технологических (вязкость), тепло- и электрофизических свойств клея. Однако даже использование тепло- и токопроводных клеев приводит к увеличению длины околошовной зоны [29]. Основными дефектами клеевых соединений при клеесварке являются: – Слабая адгезионная прочность, вызванная некачественной подготовкой поверхности или нарушением режимов отверждения клея (неполная полимеризация). Кроме того, высокие температуры сварки (до 1000…1250°С) отрицательно влияют на свойства клея и, как следствие, на прочностные характеристики клеевого шва.

90

– Местные непроклеи. Возникают из-за увеличенных, неравномерных зазоров между свариваемыми поверхностями, которые приводят к вытеканию клея из зазора в процессе сварки. Также непроклеи могут возникать из-за наличия воздушных включений и пористости клеевого шва, которые образуются при нарушении технологического процесса склеивания. Разрушение клеесварного соединения может происходить [33]: – по металлу (листу); – по околошовной зоне (по металлу вокруг сварной точки); – по сварным точкам. Для различных конструкций процентное соотношение по группам меняется, однако суммарное количество повреждений в виде трещин, разрывов и разрушения сварных точек составляет 60…70% [33]. В металле, толщина которого меньше 2…2,5 мм, разрушение в основном происходит по околошовной зоне, в которую входит и металл уплотняющего пояска (более 60% разрушений), при больших толщинах свариваемых деталей характер разрушения носит смешанный характер (около 40…60% по околошовной зоне и около 40% по сварным точкам) [29, 33]. Таким образом, наиболее слабым звеном клеесварного соединения, полученного контактной точечной сваркой, является именно околошовная зона и сварная точка. 4.2. Показатели качества клеесварных соединений

Для качественного клеесварного соединения характерно наличие равномерного и бездефектного (не пористого) клеевого шва между сварными точками и общего для обеих свариваемых деталей литого ядра определенного размера. Качество клеесварных соединений зависит от комплекса показателей, основными из которых являются: – свойства свариваемых материалов (свариваемость); – качество поверхностей свариваемых деталей; – теплофизические свойства клея; – режимы сварки.

91

Важнейшим фактором, оказывающим влияние на качество сварных и клеесварных соединений, является свариваемость материалов. По особенностям технологии сварки все материалы делятся на 8 групп (табл. 4.2) [47, 52–54]. Свариваемость является комплексной характеристикой, и чем она выше, тем большее количество способов сварки обеспечивают заданный уровень свойств, тем шире области параметров режимов сварки и проще технология. Под термином свариваемость понимается технологическое свойство материала образовывать прочные соединения без трещин, пор и металлических включений и без существенного снижения технических свойств свариваемого металла. Однако на практике достигнуть этого не удается и реальная прочность (или ударная вязкость) сварных швов всегда на 20…40% ниже, чем у цельных деталей. Таблица 4.2 Классификация материалов по особенностям свариваемости № группы

Материал

1

Низколегированные стали

2

Среднеуглеродистые и низколегированные стали

3

Легированные стали и сплавы

4

Титановые сплавы

5

Алюминиевые сплавы

6

Магниевые сплавы

7

Медные сплавы

8

Тугоплавкие сплавы

Особенности технологии – Низкая чувствительность к термическому циклу – Возможность производить сварку при жестких и мягких режимах – Требуется мягкий режим и в 4…5 раз большая длительность (чем для 1 группы) сварочного тока – Требуется применение предварительного подогрева или плавное увеличение тока – Требуют значительных сварочных усилий – Требуется использование особо твердых электродных материалов – Небольшие значения сварочного тока – Возможность производить сварку при жестких и мягких режимах – Сварку проводят на жестких режимах – Требуется существенное увеличение величины сварочного тока – Сварку проводят на жестких режимах – Не требуют значительных сварочных усилий – Сварку проводят на жестких режимах – Требуется существенное увеличение величины сварочного тока – Сварку проводят на жестких режимах (более жестких, чем для 4 группы)

92

Причинами более низкого сопротивления усталости сварных соединений, по сравнению со сплошными деталями, являются концентрация напряжений, неравномерное распределение нагрузки между сварными точками, остаточные напряжения после сварки и дефекты структуры околошовной зоны. Неравномерное распределение напряжений и их высокая концентрация при замене сварной технологии на клеесварную частично устраняются. А дефекты структуры околошовной зоны, наоборот, в клеесварном соединении всегда выше, чем в сварном [33]. Также на качество клеесварных соединений оказывает влияние химический состав и структура металла или сплава (свойства свариваемых материалов). В машиностроении при получении клеесварных соединений используются в основном алюминиевые сплавы, как не упрочненные термической обработкой (сплавы с марганцем и магнием), так и упрочненные термической обработкой и старением (многокомпонентные составы), и листовая сталь (марок 08, 08кп, 08ю, 10, 25кп, 35 и др. различного качества). Чем выше качество используемых листов, тем выше прочность клеесварного соединения, и поэтому при изготовлении ответственных деталей рекомендуется использовать листы только особо высокой и высокой отделки [52]. Следующим важным фактором, оказывающим влияние на свойства клеесварных соединений, является качество подготовки поверхности свариваемых деталей (отсутствие пленок, химических загрязнений, высота микронеровностей и т.д.) перед нанесением клея [9, 33]. Нарушение технологии на данном этапе способно свести на нет все усилия по внедрению в ремонтное производство самых современных и инновационных материалов [33]. Известно, что на поверхности тонколистовой холоднокатаной стали всегда присутствует пленка минерального масла, которая остается после вытяжки и специально не удаляется, так как предохраняет стальные листы от коррозии. На процесс точечной сварки пленка оказывает незначительное отрицательное воздействие, так как при действии давления на электроды она выдавливается из зоны сварки. Однако при клеесварной технологии наличие пленки на поверхности металла

93

существенно усложняет процесс нанесения клея и его растекания. Этот фактор накладывает дополнительные требования к клеевому материалу, используемому при клеесварной технологии (следует выбирать материалы, содержащие ПАВ, которые улучшают процессы его растекания и смачивания на замасленной металлической поверхности). Иногда (при глубокой вытяжке) применяют графитосодержащие смазки. В этом случае при использовании клеесварной технологии необходима очистка деталей в водно-моющих растворах для обеспечения полного удаления смазки с металлической поверхности. Однако даже после тщательной очистки на поверхности все равно присутствуют небольшие количества загрязнений, которые в процессе сварки частично выдавливаются к периферии, а частично распределяются по всему объему литого ядра. Большая шероховатость свариваемых поверхностей, так же как и различные загрязнения, затрудняют образование металлического контакта через микровыступы. Это связано с тем, что в местах касания деталей по отдельным микровыступам резко уменьшается сечение, что приводит к локальному сгущению линий электрического тока. Следующим качественным показателем являются теплофизические характеристики клея (прежде всего его теплопроводность λ, которая характеризует тепловое сопротивление клеевого материала при его монотонном нагреве при заданных температурах), оказывающие существенное влияние на токи шунтирования. Для клеевых материалов, используемых при клеесварной технологии, значения теплопроводности должны находиться в интервале λ = 0,1…5 Вт/(м·К). При увеличении теплопроводности шунтирование снижается [33]. Высокое качество клеесварки может быть получено при условии, что все адсорбционные наслоения в плоскости свариваемого контакта в процессе плавления растворятся в расплаве. Однако клей, даже самый теплостойкий, при температуре плавления будет выгорать, а не растворяться, поэтому для обеспечения качественной сварки по неотвержденному слою клея необходимо, чтобы он полностью вытеснялся с контактных площадок и не загрязнял продуктами разложения сварную точку. Полнота вытеснения клея зависит от группы применяемого

94

листа (это относится только к листовой стали), от типа и толщины используемой при вытяжке смазки и от реологических характеристик самого клеевого материала [33, 48]. Режимы сварки при клеесварной технологии зависят от теплофизических свойств клея, они устанавливаются опытным путем и при замене одного клеевого материала на другой их необходимо корректировать. Общие рекомендации для выбора режимов сварки по слою клея заключаются в уменьшении величины сварочного тока (на 10…20%), увеличении усилия сжатия электродов (на 15…25%) и увеличении длительности импульса сварочного тока (на 10…15%). Снижение величины сварочного тока необходимо для предотвращения таких дефектов, как выплески, вероятность появления которых при клеесварной технологии существенно выше, чем при сварной. Уменьшение сварочного тока приводит к некоторому падению прочности клеесварного соединения. Компенсировать уменьшение силы сварочного тока позволяет увеличение длительности импульса сварочного тока. Увеличение усилий сжатия электродов необходимо для обеспечения полного выдавливания клея с контактных площадок. Но это увеличение приводит к еще большему деформированию металла электродами, которые всегда оставляют после себя вмятины. 4.3. Оптимизация параметров качества при ремонте машин по клеесварной технологии

Как правило, при разработке режимов сварки при использовании клеесварной технологии используется какой-то один тип клеевого материала, свойства которого заранее заданы. Однако специфика ремонта машин такова, что одни и те же элементы на разных машинах имеют разные степени износа и повреждений [20, 47]. Все это приводит к необходимости модифицировать свойства используемого клея в зависимости от характеристик ремонтируемых деталей и соединений. Как уже было отмечено выше, одним из наиболее дешевых и эффективных способов регулирования свойств клея является введение в его состав наполнителей. Однако введение наполнителя в клей при клеесварной технологии может оказывать как положительное, так

95

и отрицательное влияние. Например, величина вязкости клея по мере увеличения в его составе наполнителя будет увеличиваться. С одной стороны, это положительное качество, поскольку, чем больше вязкость, тем выше зазор, который можно заполнить клеем. А с другой стороны, чем выше вязкость клея, тем сложнее выдавить его при контактной точечной сварке, а чем больше будет остатков клея в зоне сварки, тем более дефектной будет сварная точка и длиннее зона шлаковых включений. Поэтому при проведении ремонтных работ по клеесварной технологии необходимо проводить оптимизацию количества наполнителя в клеевом материале. Задача выбора оптимальных режимов клеесварной технологии относится к задаче многокритериальной оптимизации, которая состоит в нахождении вектора целевых переменных, удовлетворяющего заданным граничным условиям (принятым ограничениям). При такой постановке задачи необходимо оптимизировать векторную функцию, все элементы которой будут соответствовать принятым целевым функциям. При решении технических задач чаще всего целевые функции являются взаимно противоположными. Например, чем больше величина зазора между двумя свариваемыми поверхностями, тем быстрее, проще и, следовательно, дешевле будет операция подготовки деталей перед сваркой. Однако, чем больше величина зазора, тем больше требуется усилие сжатия электродов, что приведет к удорожанию технологического процесса. В самом общем случае оптимизацией называют нахождение экстремума (критерием поиска может быть как максимум, так и минимум) некой целевой функции в заданной области. При решении задачи оптимизации первоначально необходимо определить параметры, по которым далее будет оцениваться качество технологического процесса. Для клеесварной технологии могут быть использованы самые различные показатели, характеризующие свойства свариваемых материалов, используемого клея, технологические режимы или же свойства уже готовых клеесварных соединений [31]: – зазор между двумя свариваемыми деталями;

96 – качество очистки свариваемых деталей; – шероховатость поверхностей свариваемых деталей; – режимы сварки (усилие сжатия, величина тока, время и др.); – тепло- и электропроводность клеевого материала; – деформационно-прочностные свойства клеевого материала; – микротвердость (различных участков клеесварного соединения); – шероховатость (различных участков клеесварного соединения).

Этот перечень параметров указывает на то, что требуется решить задачу многокритериальной оптимизации. При условии, что все вышеперечисленные критерии являются независимыми по предпочтению и экспериментально, имеется возможность сравнить любую пару этих критериев. В качестве примера рассмотрим решение задачи оптимизации при использовании эпоксидного клея холодного отверждения, в который в качестве наполнителя введен мелкодисперсный нитрид бора. Содержание наполнителя варьировалось от 0 до 150 масс. ч. Разобьем задачу многокритериальной оптимизации на несколько частных задач, в которых требуется найти оптимум при единственном решении, т.е. выберем только два параметра, по которым будем оценивать качество клеесварного соединения. В качестве параметров могут быть использованы как абсолютные значения величин, так и их среднеквадратические отклонения. Одним из требований, предъявляемым к клеям, используемым при клеесварной технологии, является хорошая теплопроводность, поскольку при точечной сварке по неотвержденному слою клея необходимо, чтобы клей не препятствовал отводу тепла от сварной точки. Большинство клеев имеют низкую теплопроводность и для ее повышения в их состав вводят дисперсные наполнители, такие как медь, алюминиевая пудра, нитрид бора и др. [23, 40]. Введение наполнителя приводит к увеличению вязкости, что неоднозначно влияет на качество сварки. С одной стороны, клей с низкой вязкостью можно нанести тонким слоем, что позволит не увеличивать силу тока при сварке, поскольку такой клей при сжатии электродов легко оттесняется от сварной точки, что приводит к получению ка-

97

чественного литого ядра сварной точки. С другой стороны, если зазор между свариваемыми поверхностями таков, что клей не будет в нем удерживаться, то не будет достигнута и основная цель – качественный клеевой шов. Таким образом, в качестве показателя, определяющего пространство принимаемого решения, следует использовать величину, характеризующую количество наполнителя a, вводимого в клеевой материал при создании клеесварного соединения: f (a ) → min,

a ∈ A,

(4.1)

где А – множество допустимых решений. Зависимость 4.1 представляет собой решение задачи однокритериальной оптимизации, которая решается стандартным образом при условии, что известна числовая функция f и множество А. Выбранные характеристики целевых переменных (вязкость и микротвердость) должны соответствовать требованиям их независимости, поскольку мы можем изменять значения каждого из них независимо друг от друга, и данные характеристики легко определить количественно стандартными методами. Для удобства графического отображения воспользуемся условными цифрами, основное назначение которых получить графическое решение и наглядно показать характер изменения используемых переменных (табл. 4.3). В графическом виде представленная закономерность (табл. 4.3) показана на рис. 4.2. Таблица 4.3 Свойства клеев и клеесварных соединений в зависимости от содержания наполнителя № состава материала 1

Содержание наполнителя, % 0

2

Вязкость, Па⋅с

Микротвердость

100

200

10

200

175

3

50

300

150

4

100

400

125

5

150

500

100

98 500

Вязкость

200

Микротвердость

190

450

Вязкость

170

350

160

300

150 140

250

130

200

120

А

150 100

Микротвердость

180

400

0

10

50

110 100

150

100

Содержание наполнителя, %

Рис. 4.2. Схематическая зависимость вязкости клея и микротвердости литого ядра от содержания наполнителя

При равнозначности двух используемых целевых переменных (вязкость и микротвердость) оптимальным является содержание наполнителя, соответствующее точке А. Подобные задачи, как правило, решаются графически или аналитически. Для аналитического решения введем следующие обозначения: – k1 – вязкость клея; – k2 – микротвердость литого ядра. Содержание наполнителя (в данном примере нитрида бора) а принимаем за пространство оптимизируемых параметров. Соотношения предпочтения по первому и второму критериям равны: (4.2) k1(a′) < k1(a′′) = a′ ; Aa′′, k 2 (a′) > k 2 (a′′) = a′ ; Aa′′, где ; – знак предпочтения решения а′по сравнению с решением а″ на множестве А. Если по степени важности целевые переменные не равны, то в этом случае для их сравнения необходимо провести их нормирование, например по критерию (4.3). Данные таблицы 4.3 нормированы по соответствующим максимальным значениям и приведены в табл. 4.4 и 4.5.

99

Таблица 4.4 Нормированные значения вязкости № состава материала

Содержание наполнителя, масс. ч.

Нормированные значения вязкости

1

0

100 = 0,2 500

2

10

200 = 0,4 500

3

50

300 = 0,6 500

4

100

400 = 0,8 500

5

150

500 =1 500

Таблица 4.5 Нормированные значения микротвердости № состава материала

Содержание наполнителя, масс. ч.

Нормированные значения микротвердости

1

0

200 =1 200

2

10

175 = 0,875 200

3

50

150 = 0,75 200

4

100

125 = 0,625 200

5

150

100 = 0,5 200

kнорм =

k kmax

,

(4.3)

где k – исследуемый параметр (вязкость клея – k1; микротвердость литого ядра – k2). На рис. 4.3 приведены нормированные зависимости вязкости клея и микротвердости литого ядра сварной точки от содержания в клее наполнителя при проведении клеесварной технологии.

100

Поиск компромиссного решения предлагается осуществлять в терминах минимизации, и поэтому использованные критерии представим в относительном виде [31]: k1 = Δk1 = k1max − k1;

(4.4)

k2 = Δk2 = k 2max − k2;

(4.5)

kотн =

kmax − k . kmax − kmin

(4.6)

Использование при решении задач оптимизации уравнения (4.6) очень удобно, поскольку используемые критерии имеют разную размерность и требуется сделать их безразмерными. В данном случае мы имеем возможность количественно сравнить между собой изменения значений вязкости клея и микротвердости литого ядра сварной точки в зависимости от количества введенного в состав клея наполнителя.

Нормированные значения

1,2

Вязкость

Микротвердость

1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

0

10

50

100

150

Содержание наполнителя, %

Рис. 4.3. Нормированные зависимости вязкости клея и микротвердости литого ядра сварной точки от содержания наполнителя

Предпочтительными являются варианты: k1( A′) < k1( A′′) = A′ ;a A′′,

(4.7)

k2 ( A′) < k2 ( A′′) = A′ ;a A′′.

(4.8)

Относительные значения вязкости и относительные значения микротвердости, определенные по формуле (4.6), представлены в таблице 4.6 и табл. 4.7 соответственно.

101

Таблица 4.6 Относительные значения вязкости № состава материала

Содержание наполнителя, масс. ч.

Относительные значения вязкости

1

0

500–100 =1 500–100

2

10

500–200 = 0,75 500–100

3

50

500–300 = 0,5 500–100

4

100

500–400 = 0,25 500–100

5

150

500–500 =0 500–100

Таблица 4.7 Относительные значения микротвердости № состава материала

Содержание наполнителя, масс. ч.

Относительные значения микротвердости

1

0

200–200 =0 200–100

2

10

200–175 = 0,25 200–100

3

50

200–150 = 0,5 200–100

4

100

200–125 = 0,75 200–100

5

150

200–100 =1 200–100

График зависимости потерь вязкости клея и потерь микротвердости литого ядра сварной точки показан на рис. 4.4. Для выбора оптимального решения по содержанию наполнителя необходимо определить область допустимых значений. Для этого необходимо указать допустимую величину уменьшения вязкости и микротвердости. Например, пусть допустимым считается уменьшение микротвердости на 25%, которое будет соответствовать потерям вязкости, равным 0,5.

102

Однако, если требуется определить такое содержание наполнителя в клее, при котором при 25%-м уменьшении микротвердости величина вязкости уменьшится только на 50% (рис. 4.4, точка В), то, как видно из графика, ни один из рассмотренных вариантов этому решению не удовлетворяет.

Рис. 4.4. Зависимости потерь вязкости и потерь микротвердости с указанием точки (В) искомого решения

Для поиска оптимального решения необходимо оценить значимость используемых целевых переменных. Для этой цели вводят весовые коэффициенты α, сумма которых равна единице. n

∑ α i = 1.

(4.9)

i =1

Если используются всего два критерия α1 (вязкость) и α2 (микротвердость), и они равнозначны, то нет необходимости в весовых коэффициентах: α1 + α 2 = 0,5 + 0,5 = 1. Но, как правило, характеристика микротвердости литого ядра сварной точки является более значимой, чем вязкость клея. Проведем линии вблизи точек, соответствующих данным табл. 4.3, которые предположительно были получены в результате экспериментальных исследований (рис. 4.5). Линия с отношением весовых коэффициентов α1/α2 = 1 отвечает решению № 3 (см. табл. 4.3, содержание наполнителя 50 масс. ч.), ли-

103

ния α1/α2 = 3 отвечает решению № 2 (см. табл. 4.3, содержание наполнителя 10 масс. ч.), линия α1/α2 = 0,33 соответствует решению № 4 (см. табл. 4.3, содержание наполнителя 100 масс. ч.).

Рис. 4.5. Зависимости потерь вязкости и потерь микротвердости с указанием точки (В) искомого решения и соотношения весовых коэффициентов (α1/α2) [31]

При принятии решения, при условии равновесности двух критериев, оптимальным является состав № 3 (см. табл. 4.3, содержание наполнителя 50 масс. ч.). При планировании и проведении экспериментальных исследований в процессе решения задач оптимизации всегда имеют дело с ограниченным числом опытов. В этом случае требуется решить обратную задачу оптимизации, при которой найденное техническое решение требуется оценить с точки зрения соотношения критериев. Алгоритм оптимизации технологических решений, где одновременно требуется решить материаловедческие и технологические задачи при условии существования единственного оптимального решения, например для двух целевых функций по критерию их минимизации, показан на рис. 4.6 [31]. Под заданными весовыми коэффициентами (α ≈ αзад) в данном случае понимается их соответствие условиям решаемой задачи. При неизвестных значениях весовых коэффициентов для некорректных задач, в которых существует не единственное оптимальное

104

решение, алгоритм поиска иной, поскольку он дополняется операциями определения значений весовых коэффициентов, которые должны удовлетворять области оптимальных решений (рис. 4.7).

Рис. 4.6. Алгоритм поиска оптимального решения при наличии единственного решения

105

Рис. 4.7. Алгоритм поиска оптимального решения при наличии области не единственного решения

106

4.4. Испытания клеесварных соединений и готовых конструкций

При замене традиционных технологий сборки на новые необходимо провести серию разрушающих испытаний. Можно выделить следующие преимущества разрушающих методов испытаний. – Разрушающие испытания обычно имитируют одно или несколько рабочих условий, следовательно, они непосредственно направлены на измерение эксплуатационной надежности. – Разрушающие испытания, как правило, представляют собой количественные измерения разрушающих нагрузок или срока службы до разрушения при заданном нагружении и заданных условиях. Таким образом, они позволяют получить числовые данные, необходимые для конструирования, разработки стандартов или спецификаций. – Связь между большинством измерений разрушающим контролем и измеряемыми свойствами материалов (особенно под нагрузкой, имитирующей рабочие условия) обычно прямая. Следовательно, исключаются споры по результатам испытания и их значению для эксплуатационной надежности материала или детали. Основным недостатком разрушающих испытаний является высокая стоимость и трудоемкость их проведения. При внедрении клеесварных соединений в производство и ремонт машин выделяют четыре группы испытаний: 1) испытания клеевых материалов; 2) испытания клеесварных соединений на плоских образцах (с одной, двумя и тремя сварными точками); 3) испытания пространственных коробчатых конструкций, изготовленных по клеесварной технологии; 4) испытания готовых изделий. При испытании клеевых материалов необходимо определить свойства (реологические, упругие, прочностные, теплофизические и др.), которые необходимо учитывать при разработке технологического процесса клеесварки. Вопросы определения свойств клеевых мате-

107

риалов, используемых при создании клеесварных соединений, подробно рассмотрены в 3 главе данного пособия. Особенности проведения испытаний клеесварных соединений на плоских образцах подробно рассмотрены в разделе 2.4 при определении оптимального шага между сварными точками. Но стандартные испытания плоских металлических образцов на сжатие (ГОСТ 25.503-97), растяжение (ГОСТ 1497-84) и изгиб (ГОСТ 14019-80) не позволяют объективно судить о прочностных характеристиках этих соединений. Стандартные испытания проводятся на плоских или цилиндрических образцах и позволяют определить только прочность сварной точки. В литературе [33, 38, 39] показано, что для получения объективной информации о прочностных характеристиках сварных и клеесварных соединений необходимо проводить испытания на пространственных коробчатых конструкциях (рис. 4.8) и контролировать прочностные свойства не только в зоне сварной точки, но и между сварными точками.

а

б

Рис. 4.8. Схема (а) и фото испытания (б) пространственной коробчатой конструкции, изготовленной с использованием технологии клеесварки: 1 – сварная точка; 2 – клеевой шов; 3 – соединяемые фланцы

Также задачей испытания пространственных коробчатых конструкций является изучение напряженного состояния всех элементов несущей системы под нагрузкой путем тензометрирования во многих точках, результаты которого служат основанием существенного сокращения объемов измерений при последующих динамических испытаниях готовых изделий.

108

Задачей стендовых испытаний готовых изделий является оценка долговечности конструкции в целом (рам, кузовов, кабин), их частей (лонжеронов рамы) и отдельных узлов. Испытания готовых изделий, как правило, проводятся на стендах с динамическим нагружением (рис. 4.9). Динамические стендовые испытания кузовов, кабин и комплектных машин являются основным способом оценки пассивной безопасности. При этом имитируются опрокидывание, лобовое столкновение, наезды сзади или сбоку. Используются стенды, осуществляющие разгон испытываемого объекта и его наезд с заданной скоростью на массивное препятствие (рис. 4.10) под разными углами (стенды-катапульты), а также стенды с массивным маятником (копровые стенды) для ударных нагрузок в определенные места конструкции. Например, удар спереди по верхнему углу кабины имитирует падение машины с откоса, удар сбоку по верхнему углу кабины имитирует опрокидывание машины в кювет, удар по задней стенке – воздействие незакрепленного груза при резкой остановке. Схожими методами испытываются на стендах силовые каркасы кузовов, бамперы, оперения.

Рис. 4.9. Стенд для испытания автомобильных кузовов на усталость: 1 – АСУ стенда; 2 – устройство, задающее циклы нагружения; 3 – насосная станция гидросистемы; 4 – кривошипно-шатунный нагружатель; 5 – гидромотор; 6 – соединительная муфта; 7 – контрольное устройство обратной связи; 8 – испытываемый кузов

109

Рис. 4.10. Схема стенда для испытания автомобилей на фронтальный удар: 1 – вышка; 2 – груз; 3 – препятствие; 4 – испытываемый автомобиль; 5 – тяговый трос лебедки; 6 – направляющий рельс; 7 – лебедка

Применяется также динамическое локальное нагружение на отдельных участках конструкции с помощью различных вибраторов направленного воздействия для оценки частоты собственных колебаний и частотных резонансов отдельных деталей и сочленений.

110

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение контактной точечной сварки. 2. В чем отличие традиционной контактной точечной сварки от клеесварной технологии? 3. Назовите последовательность типовых операций технологического процесса создания клеесварных соединений. 4. От каких факторов зависят минимально допускаемые значения диаметра сварной точки при традиционной контактной точечной сварке и клеесварной технологии? 5. От каких факторов зависит оптимальный шаг между сварными точками при традиционной контактной точечной сварке и при клеесварной технологии? 6. Назовите основные параметры режима контактной точечной сварки. 7. Как изменяются режимы контактной точечной сварки при замене традиционной технологии на клеесварную? 8. На что оказывает влияние сила сварочного тока при контактной точечной сварке и как она определяется? 9. Какие факторы необходимо учитывать при определении оптимального времени сварки при традиционной контактной точечной сварке и при клеесварной технологии? 10. Назовите четыре основных этапа цикла контактной точечной сварки. 11. В чем отличие между «мягкими» и «жесткими» режимами контактной точечной сварки? 12. Какие методы подготовки поверхности используются при клеесварной технологии сборки? 13. Какие показатели клеесварного соединения могут быть использованы в качестве критериев качественной сварки? 14. От каких факторов зависит выбор электродов при создании клеесварных соединений? 15. Какие типы клеевых материалов могут быть использованы при создании клеесварных соединений?

111

16. Какие свойства клеевых материалов оказывают влияние на качество клеесварных соединений? 17. Какое влияние на качество клеесварных соединений оказывают реологические свойства клеевых материалов и как они определяются? 18. Какое влияние на качество клеесварных соединений оказывают теплофизические свойства клеевых материалов и как они определяются? 19. Назовите основные дефекты клеесварных соединений, причины их возникновения и способы предотвращения. 20. Какие методы испытаний используются при замене традиционной точечной сварки на клеесварную технологию?

112

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алешин, Н.П. Современные способы сварки: учебное пособие / Н.П. Алешин, В. И. Лысак, В. Ф. Лукьянов. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. – 58 с. 2. Алешин, Н.П. Оценка остаточного ресурса сварных конструкций / Н.П. Алешин // Проблемы машиностроения и автоматизации. – 2007. – № 3. – С. 10–18. 3. Андреева, Л.П. Экспериментальное исследование релаксации напряжений в точечном сварном соединении из тонколистового материала / Л.П. Андреева, Б.В. Когаев, А.А. Антонов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2003. – № 8. – С. 43–49. 4. Баженов, С.Л. Полимерные композиционные материалы / С.Л. Баженов, А.А. Берлин, А.А. Кульков, В.Г. Ошмян. – Долгопрудный: Интеллект, 2010. – 352 с. 5. Баловнев, В.И. Многоцелевые дорожно-строительные и технологические машины / В.И. Баловнев. – Омск-Москва: ОАО «Омский дом печати», 2006. – 320 с. 6. Баурова, Н.И. Применение метода дифференциальной сканирующей калориметрии для изучения свойств наполненных клеевых материалов / Н.И. Баурова, А.Ю. Сергеев // Клеи. Герметики. Технологии. – 2013. – № 10. – С. 40–44. 7. Баурова, Н.И. Применение полимерных композиционных материалов при производстве и ремонте машин: учеб. пособие / Н.И. Баурова, В.А. Зорин. – М.: МАДИ, 2016. – 264 с. 8. Баурова, Н.И. Проявление синергетического эффекта в технологической наследственности / Н.И. Баурова, В.А. Зорин, В.М. Приходько // Все материалы. Энциклопедический справочник. – 2015. – № 10. – С. 3–7. 9. Баурова, Н.И. Определение прочностных характеристик сварных и клеесварных соединений / Н.И. Баурова, А.Ю. Коноплин // Автотранспортное предприятие. – 2016. – № 3. – С. 41–43. 10. Баурова, Н.И. Оптимизация параметров качества при ремонте дорожно-строительных машин по клеесварной технологии / Н.И. Баурова, А.Ю. Коноплин // Ремонт, восстановление, модернизация. – 2016. – № 2. – С. 37–41. 11. Баурова, Н.И. Особенности замены контактной точечной сварки на клеесварную технологию при ремонте машин / Н.И. Бауро-

113

ва, А.Ю. Коноплин // Механизация строительства. – 2015. – № 9 (855). – С. 45–47. 12. Баурова, Н.И. Структурные исследования механизма разрушения клеевых соединений после испытаний методом pull-out / Н.И. Баурова, А.Ю. Сергеев // Клеи. Герметики. Технологии. – 2014. – № 4. – С. 24–28. 13. Баурова, Н.И. Учет факторов технологической наследственности методами технологической механики / Н.И. Баурова, В.А. Зорин, В.М. Приходько // Все материалы. Энциклопедический справочник. – 2016. – № 6.– С. 2–8. 14. Белов, В.К. Повышение усталостной долговечности заклепочных и сварных соединений авиационных конструкций технологическими методами: монография / В.К. Белов, Г.Ф. Рудзей, А.А. Калюта. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. – 180 с. 15. Бородулин, А.С. Оптимизация реологических свойств связующих, используемых при формовании изделий из стеклопластиков методом вакуумной инфузии / А.С. Бородулин, Г.В. Малышева, И.К. Романова // Клеи. Герметики. Технологии. – 2015. – № 3. – С. 40–44. 16. Вдовин, Д.С. Разработка методики проектирования несущих систем колесных машин, выполненных с использованием сварных точечных и клеесварных соединений: дис. … канд. техн. наук: 05.05.03, 01.02.06 / Вдовин Денис Сергеевич. – М., 2007. – 153 с. 17. Гладков, Э.А. Управление процессами и оборудованием при сварке: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Э.А. Гладков. – М.: ИЦ «Академия», 2006. – 432 с. 18. Горбаткина, Ю.А. Адгезия дисперсно-наполненных эпоксидов к твердым телам / Ю.А. Горбаткина, В.Г. Иванова-Мумжиева // Механика композитных материалов. – 2012. – Т. 48. – № 2. – С. 235–248. 19. Демонис, И.М. Материалы ВИАМ в космической технике / И.М. Демонис, А.П. Петрова // Все материалы. Энциклопедический справочник. – 2011. – № 6. – С. 2–9. 20. Зорин, В.А. Основы работоспособности технических систем / В.А. Зорин. – М.: ИЦ «Академия», 2015. – 204 с. 21. Зорин, В.А. Повышение стойкости полимерных материалов, применяемых при ремонте машин, к воздействию циклических нагрузок / В.А. Зорин, Н.И. Баурова // Механизация строительства. – 2013. – № 4 (826). – С. 25–27. 22. Зорин, В.А. Применение интеллектуальных материалов при производстве, диагностировании и ремонте машин: монография /

114

В.А. Зорин, Н.И. Баурова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ИНФРА-М, 2015. – 110 с. 23. Зорин, В.А. Ремонт теплонагруженных элементов машин и оборудования с использованием наполненных полимерных материалов / В.А. Зорин, Н.И. Баурова // Ремонт, восстановление, модернизация. – 2013. – № 4. – С. 16–18. 24. Зорин, В.А. Управление микроструктурой и свойствами наполненных полимерных композиций / В.А. Зорин, Н.И. Баурова, А.М. Шакурова // Клеи. Герметики. Технологии. – 2012. – № 8. – С. 31–35. 25. Каблов, Е.Н. Стратегические направления материалов и технологий их переработки на период до 2030 года / Е.Н. Каблов // Авиационные материалы и технологии. – 2012. – № S. – С. 7–17. 26. Козловский, С.Н. Основы теории и технологии контактной точечной сварки: монография / С. Н. Козловский; СибГАУ. – Красноярск, 2003. – 218 с. 27. Коноплин, А.Ю. Выбор материалов для клеесварных соединений / А.Ю. Коноплин, Н.И. Баурова // Все материалы. Энциклопедический справочник. – 2014. – № 7. – С. 40–44. 28. Коноплин, А.Ю. Исследование свойств и микроструктуры клеесварных соединений / А.Ю. Коноплин, Н.И. Баурова // Клеи. Герметики. Технологии. – 2015. – № 6. – С. 29–33. 29. Коноплин, А.Ю. Исследование твердости околошовной зоны при контактной точечной сварке сталей по клеесварной технологии / А.Ю. Коноплин, Н.И. Баурова // Технология металлов. – 2016. – № 1. – С. 33–36. 30. Коноплин, А.Ю. Клеесварная и клееклепаная технологии для проведения ремонта дорожных машин / А.Ю. Коноплин, А.К. Аноприенко, Н.И. Баурова // Наука и техника в дорожной отрасли. – 2015. – № 3(73). – С. 31–33. 31. Коноплин, А.Ю. Методика обработки результатов экспериментальных исследований при решении задач оптимизации / А.Ю. Коноплин // Ремонт, восстановление, модернизация. – 2016. – № 8. – С. 37–39. 32. Коноплин, А.Ю. Обеспечение качества клеесварных соединений при проведении ремонтных работ / А.Ю. Коноплин, Н.И. Баурова // Ремонт, восстановление, модернизация. – 2014. – № 10. – С. 22–26. 33. Коноплин, А.Ю. Разработка технологического обеспечения производства и ремонта машин с применением клеесварной технологии: дис. … канд. техн. наук: 05.02.08 / Коноплин Александр Юрьевич. – М., 2016. – 178 с.

115

34. Лапина, Н.В. Особенности отработки деталей машин на технологичность при переходе на новые конструкционные материалы / Н.В. Лапина, Н.И. Баурова // Все материалы. Энциклопедический справочник. – 2016. – № 1. – С. 11–15. 35. Малышева, Г.В. Оптимизация выбора параметров, характеризующих состояние объекта, при решении задач надежности / Г.В. Малышева, И.К. Романова // Ремонт, восстановление, модернизация. – 2015. – № 6. – С. 33–38. 36. Малышева, Г.В. Оценка температур фазовых переходов полимерных связующих методом дифференциально-сканирующей калориметрии / Г.В. Малышева, Э.Щ. Ахметова, Ю.Ю. Шимина // Клеи. Герметики. Технологии. – 2014. – № 6. – С. 29–33. 37. Малышева, Г.В. Прогнозирование ресурса клеевых соединений / Г.В. Малышева // Клеи. Герметики. Технологии. – 2013. – № 8. – С. 31–34. 38. Махутов, Н.А. Конструкционная прочность, ресурс и технологическая безопасность. В 2 ч. / Н.А. Махутов; под ред. К.В. Фролова, В.В. Москвичева. – Новосибирск: Наука, 2005. – 493 с. 39. Неразрушающий контроль и диагностика / В.В. Клюев [и др.]; под ред. В.В. Клюева. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 2005. – 656 с. 40. Петрова, А.П. Влияние наполнителей на эксплуатационные характеристики клеевых соединений / А.П. Петрова // Клеи. Герметики. Технологии. – 2013. – № 10. – С. 11–13. 41. Петрова, А.П. Свойства клеевых материалов, используемых в ремонтно-восстановительных работах / А.П. Петрова, В.В. Куликов // Клеи герметики технологии. – 2008. – № 8. – С. 2–12. 42. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие / под ред. А.А. Берлина. – 3-е изд., испр. – СПб.: ЦОП «Профессия», 2011. – 560 с. 43. Сборочные, монтажные и испытательные процессы в производстве летательных аппаратов: учебник для студентов высших технических учебных заведений / В.А. Бордаков, Б.П. Барвинок, В.И. Богданович, П.А. Бордаков, Б.П. Пешков, И.Н. Желтов, И.А. Докукина; под редакцией В.А. Барвинка. – М.: Машиностроение, 1996. – 576 с. 44. Сварка. Резка. Контроль: справочник. В 2-х т. Т. 1 / Н.П. Алешин, Г.Г. Чернышов, Э.А. Гладков [и др.]; под общ. ред. Н.П. Алешина, Г.Г. Чернышова. – М.: Машиностроение, 2004. – 624 с.

116

45. Сергеев, А.Ю. Исследование остаточных напряжений в кольцевых образцах из полимерных композиционных материалов однонаправленной структуры / А.Ю. Сергеев, Н.И. Баурова // Клеи. Герметики. Технологии. – 2015. – № 4. – С. 28–32. 46. Сергеев, А.Ю. Ремонт элементов систем выпуска отработавших газов машин с использованием полимерных композиционных материалов / А.Ю. Сергеев, Н.И. Баурова // Автотранспортное предприятие. – 2015. – № 4. – С. 41–43. 47. Синельников, А.Ф. Основы технологии производства и ремонт автомобилей / А.Ф. Синельников. – М.: ИЦ «Академия», 2011. – 320 с. 48. Склеивание в машиностроении. В 2 т. / под ред. Г.В. Малышевой. – М.: Наука и технология, 2005. 49. Тараскин, Н.Ю. Особенности методики исследования свойств полимерных композиционных материалов методом динамомеханического анализа / Н.Ю. Тараскин, Е.К. Филина, Г.В. Малышева // Все материалы. Энциклопедический справочник. – 2014. – № 7. – С. 9–13. 50. Технология машиностроения, производство и ремонт подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин / под ред. В.А. Зорина. – М.: ИЦ «Академия», 2010. – 568 с. 51. Технология и оборудование контактной сварки / Б.Д. Орлов, А.А. Чакалев, Ю.В. Дмитриев, А.Л. Марченко. – 2 изд. – М.: Машиностроение, 1986. – 352 с. 52. Li, D. Cast ferritic stainless steels for automotive exhaust components / D. Li, C. Sloss, S. Amer Foundry // Transactions of the American Foundry Society. – 2013. – № 121. – Р. 487–494. 53. Long-term oxidation of candidate cast iron and stainless steel exhaust system alloys from 650 to 800°C in air with water vapor / M.P. Brady, G. Muralidharan, D.N. Leonard, J.A. Haynes, R.G. Weldon, R.D. England // Oxydation of metals. – 2014. – V. 82. – Р. 359–381. 54. Peter Kayode Oke. Effects of leaked exhaust system on fuel consumption rate of an automobile / Peter Kayode Oke, Buliaminu Kareem // Electrical engineering and intelligent systems. Lecture Notes in Electrical Engineering. – 2013. – V. 130. – Р. 301–311.