CC BY
76
УДК 621.745:621.746:621.791
Вестник СибГАУ Т. 16, № 3. С. 714-719
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ
СОВМЕЩЕННЫМ СПОСОБОМ ЛИТЬЯ И ШТАМПОВКИ
С. Л. Бусыгин1*, А. М. Токмин1, В. В. Богданов2, С. А. Готовко1,2
1 Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
*E-mail: [email protected]
Описаны основные функции, которые выполняют электроды контактной сварки, а также области, в которых они применяются (машиностроение, автомобилестроение, ракетно-космическая промышленность, строительство). Применительно к ракетно-космической промышленности электроды используют для получения соединений элементов конструкций летательных аппаратов (соединение обшивки с элементами каркаса и соединение элементов каркаса контактной сваркой). Оценена сложность способов изготовления электродов контактной сварки с заданным комплексом физико-механических свойств, а также сложность управления макро- и микроструктурой, прочностными и эксплуатационными характеристиками, изменением структурно-энергетического состояния сплава. Описан способ ввода легирующих элементов в приготовленный расплав с помощью таблетки Cu-Cr. Отработана на практике технология плавки и последующей штамповки электродов. Определены режимы последующих термических операций после штамповки электродов контактной сварки для достижения наиболее высокого уровня физико-механических свойств (твердость и электропроводность). Исследована микроструктура образца электрода на оптическом микроскопе Carl Zeiss Axio Vision, показывающая достаточно равномерное распределение вторичной фазы в объеме электрода. Проведен энергодисперсионный анализ образцов электродов на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-7001F, показывающий примерное содержание основных элементов в сплаве, а также распределение химических элементов в характеристическом излучении по площади шлифа, что в большой степени влияет на твердость и электропроводность электродов контактной сварки. Проведены испытания полученных образцов электродов на машине контактной сварки МПТУ-300, оценено их качество. В результате практических испытаний были подобраны оптимальные режимы контактной сварки стержней арматуры в крест из стали 35ГС диаметрами 10 + 40 мм. Оценено влияние наноструктурированных частиц хрома на твердость, электропроводность и стойкость электродов контактной сварки. Построены зависимости степени износа электродов от количества сваренных точек для различных материалов, применяемых при изготовлении электродов контактной сварки. Сформулированы выводы по результатам проделанной работы.
Ключевые слова: литье, штамповка, наноструктурированные частицы, контактная сварка, твердость, электропроводность, стойкость.
Vestnik SibGAU Vol. 16, No. 3, P. 714-719
A METHOD OF RESISTANCE WELDING ELECTRODES MANUFACTURING BY COMBINED CASTING AND STAMPING
S. L. Busygin1*, A. M. Tokmin1, V. V. Bogdanov2, S. A. Gotovko1,2
1 Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 2Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation *E-mail: [email protected]
The present article describes the main functions of the resistance welding electrodes, as well as areas in which they are applied (engineering, automotive, aerospace industry, construction). With regard to the aerospace industry, the electrodes are used to obtain the compounds of an aircraft structural elements (connection of sheathing with framing members and connecting elements of the frame by resistance welding). Assessed is the complexity of the processes used in the manufacturing of resistance welding electrodes with a given set ofphysical-mechanical properties, as well as the complexity of managing the macro - and microstructure, strength and operational characteristics, changes in the structural
and energetic state of the alloy. The method of introduction of alloying elements prepared in the melt by using tablets Cu-Cr is described. The technology of smelting and further pressing of the electrodes is tested. A subsequent heat treatment after forming the electrodes of resistance welding to achieve the highest level of physical and mechanical properties (hardness and conductivity) is defined. Investigated is the microstructure of the sample electrode in the optical microscope Carl Zeiss Axio Vision, showing a fairly uniform distribution of secondary phases in the bulk electrode. Energy dispersive analysis of samples of electrodes on a scanning electron microscope JEOL JSM-7001Fwas conducted, showing the approximate contents of the main elements in the alloy, as well as the distribution of chemical elements in characteristic radiation on the surface of a cone that has a considerable influence on the hardness and conductivity of the electrodes of resistance welding. The tests of the samples of the electrodes in resistance welding machine, MPTU-300, assessed their quality. As a result ofpractical tests of the optimal modes of contact welding of bar reinforcement cross of steel 35GS diameters 10+40 mm are chosen. The influence of nanostructured particles of chromium on the hardness, electrical conductivity and resistance of the electrodes of resistance welding is estimated. The dependences of the degree of wear of the electrodes from the number of welded points for various materials used in the manufacture of resistance welding electrodes are formed. Conclusions according to the results of the work are done.
Keywords: Casting, stamping, nanostructured particles, welding, hardness, conductivity, resistance.
Введение. Одним из наиболее распространенных способов сварки в различных отраслях техники является контактная сварка. Основные сферы ее применения - машиностроение, автомобилестроение, ракетно-космическая промышленность, строительство и др. Применительно к ракетно-космической промышленности электроды используют для получения соединений элементов конструкций летательных аппаратов (соединение обшивки с элементами каркаса и соединение элементов каркаса контактной сваркой). Электроды контактной сварки являются основным инструментом, технически осуществляющим процесс образования сварной точки. Они выполняют функцию проводников электрического тока и являются силовыми элементами, передающими значительные усилия в процессе сжатия. Электроды одновременно являются элементами вторичного контура трансформатора, силовыми конструктивными элементами контактной машины и сменным технологическим инструментом. В процессе эксплуатации рабочая часть электродов испытывает высокую токовую нагрузку, высокие градиенты температур, циклические напряжения и упруго-пластические деформации сжатия, сдвига и изгиба. Кроме того, на рабочей поверхности действуют силы трения, качения и скольжения [1-3].
Создание металлических материалов с заданным комплексом физико-механических свойств может быть реализовано с применением комплексного подхода, сочетающего получение заданного химического состава, технологию получения и упрочняющую обработку, обеспечивающие получение требуемого фазового состава и определенного структурного состояния монолитных и порошковых материалов. Свойства сплавов определяются не только химическим составом и микроструктурой, но и в значительной степени типом, размерами, формой и характером распределения фаз различной природы и происхождения.
Применение различных технологий позволяет управлять макро- и микроструктурой, прочностными и эксплуатационными характеристиками, изменяя структурно-энергетическое состояние сплава. Современное представление об эффективном управлении свойствами материалов основывается на возможности создания условий, при которых происходит самоорганизация заданного структурно-фазового состояния [4; 5].
Технологии, используемые в настоящее время для получения медно-хромовых сплавов и дисперсно-упрочненных композиционных материалов, требуют сложных в обслуживании и в то же время дорогих плавильных агрегатов. Авторами разработан ресурсосберегающий способ приготовления [6; 7] хромовых бронз и получения электродов контактной сварки на специализированной установке (рис. 1) совмещенным способом литья и штамповки [8], что позволяет перерабатывать вторичное сырье, технологически упростить и экономически удешевить процесс изготовления электродов [9].
Рис. 1. Специализированная установка для получения электродов контактной сварки
Технология плавки. Для получения медного расплава использовались отходы медного лома типа А 1/1 по ГОСТ 1639-93. Масса загружаемого в графитовый тигель индукционной печи металла составляла 1 кг. Плавку осуществляли под слоем древесного угля, толщина слоя 25-30 мм, при рабочей частоте печи 44 ± 4 кГц. Медный расплав раскисляли фосфором, который добавляли в виде лигатуры МФ 9 по ГОСТ 4515-93 в количестве 0,7 % [10]. Затем в раскисленный расплав вводили легирующий элемент в виде
таблетки (рис. 2), состоящей из 83 % медного порошка марки ПМС-1 по ГОСТ 4960-75 и 17 % неструктурированных частиц хрома Х99 по ГОСТ 5905-79.
Рис. 2. Легирующий элемент в виде таблетки
Перемешивание жидкого металла происходило под действием переменного электромагнитного поля. Это дает возможность получить в индукционной печи однородный по химическому составу сплав [11].
Технология получения электродов. Заливку расплавленного металла осуществляли в матрицу технологической оснастки (рис. 3). После остывания сплава до температуры 850-900 0С штамповали (рис. 4) пуансоном охлаждающий канал в электроде, затем открывали подвижным клином дно матрицы и проталкивали электрод пуансоном в охлаждающую камеру, находящуюся в основании пресса, для закалки в проточной воде [12; 13]. Полученный образец электрода представлен на рис. 5.
Рис. 4. Штамповка охлаждающего канала
Рис. 5. Образец полученного электрода
Рис. 3. Заливка металла в матрицу
Старение электродов осуществляли в муфельной печи СНОЛ-1.62.5.1/11-ИЗ при температуре 450 °С в течение 4 ч, при этом достигается наиболее высокий уровень физико-механических свойств (твердость и электропроводность) [14].
Исследование микроструктуры в композиционном контрасте с картированием и точечными спектрами. Исследование микроструктуры проводили с помощью оптического микроскопа Carl Zeiss Axio Vision, оснащенного устройством визуализации изображения.
Рис. 6. Микроструктура электрода, полученного по совмещенной технологии литья и штамповки, после термической обработки
Следует отметить достаточно равномерное распределение вторичной фазы в объеме электрода (рис. 6). Это свидетельствует об интенсивном перемешивании расплава в процессе индукционной плавки сплава.
Энергодисперсионный анализ выполняли на растровом электронном микроскопе ШОЬ 18М-7001Б. Суммарная площадь исследования составила около 5 мм2 и показывает примерное содержание основных элементов в сплаве (табл. 1).
Таблица 1
Содержание основных элементов в сплаве
Содержание химических элементов в спектре
Cr, % P, % Cu, % Total, %
1,01 0,12 98,87 100
Распределение химических элементов в характеристическом излучении по площади шлифа (рис. 7) достаточно равномерное, что положительно отражается на твердости и электропроводности образцов.
Испытание проводили на контактной машине МПТУ-300. Сваривали в крест стержни арматуры (рис. 8) диаметрами 10 + 40 мм из стали 35ГС.
ш
а
а
б
б
Рис. 7. Карты химических элементов в характеристическом излучении (х3000): а - Сг (хром); б - Си (медь)
Испытания образцов электродов. Качество электродов контактной сварки определяется их стойкостью, т. е. способностью сохранять в определенных пределах исходные размеры и форму рабочей поверхности. В конечном счете, от формы и размеров рабочей части электродов зависит качество сварного соединения [15].
Чтобы исключить влияние как можно большего количества факторов и обеспечить требуемую объективность оценки работоспособности электродов, испытания проводили на одной сварочной машине, сваривая материал одной марки разной толщины и качества поверхности, задаваясь при этом вполне определенными параметрами сварки (темп сварки, энергетические параметры, давление на электроды, условия охлаждения).
Рис. 8. Сварка арматуры в крест: а - сжатие стержней; б - сварка стержней; в - стержни после сварки
В результате сварки арматуры в крест были подобраны оптимальные режимы, приведенные в табл. 2.
Испытания проводили до полного износа электродов (рис. 9).
На графике зависимости степени износа электродов от количества точек (рис. 10) видно, что полученные электроды изнашиваются на 50-70 % меньше, чем электроды из аналогичных сплавов, а следовательно, дольше работают до полного износа, что в значительной мере снижает конечную стоимость продукции.
Таблица 2
Режимы сварки в крест двух стержней арматуры из стали 35ГС диаметрами 10 + 40 мм
в
Усилие на электродах,кг Сварочный ток, кА Темп сварки, т/мин Время сварки, с Длительность выдержки под током, с
580 23,6 30 0,25-0,72 0,47
Рис. 9. Полный износ электрода
М О
п
о
а
н
а
4
Л
о о
к
5
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
М1
/
/
у / .—' БрХ1
У Эксп.
/ — --"
у г
—
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Количество контактов (точек), шт
Рис. 10. График зависимости степени износа электродов от количества точек
Заключение. Результаты выполненной работы дают основание сделать следующие выводы:
1. Применение медных таблеток с содержанием наноструктурированных частиц хрома позволяет получить нужный по химическому составу сплав и исключить сложные, дорогостоящие операции приготовления лигатуры Си-Сг.
2. Предложенная методика плавки обеспечивает равномерное распределение хрома в сплаве, что положительно отражается на прочностных и электропроводных свойствах электродов.
3. Использование совмещенного способа литья и штамповки, а также операций по термообработке, позволяет получать электроды, по твердости, электропроводности и стойкости превосходящие электроды из аналогичных сплавов, полученных по традиционной технологии.
4. Применяемая ресурсосберегающая технология позволяет получать электроды контактной сварки из вторичного сырья, что в значительной мере снижает конечную стоимость продукции.
Библиографические ссылки
1. Применение ресурсосберегающей технологии металлургической переработки меди и медных сплавов для получения электродов контактной сварки /
С. Л. Бусыгин [и др.] // Вестник СибГАУ. 2010. Вып. 6 (32). С. 119-121.
2. Повышение работоспособности электродов при точечной контактной сварке сталей / Г. А. Меньшиков [и др.] // Сварочное производство. 2008. № 10. С. 32-35.
3. Пат. 7355142 Соединенные Штаты Америки, В 23 К 11/30, В 23 К 2201/38. Термостойкий сварочный электрод для сварки гибкого медного отведения и способ его изготовления / Джереми М. Будай ; заявитель корпорация Линкольн Глобал, Калифорния. № 20060237396 А1 ; заявл. 22.04.2005 ; опубл. 08.04.2008.
4. Бусыгин С. Л., Синичкин А. М., Токмин А. М. Получение электродов контактной сварки совмещенным способом литья и штамповки // Металлургия машиностроения. 2013. Вып. № 2. С. 39-43.
5. Синергетика и фракталы в материаловедении /
B. С. Иванова [и др.]. М. : Наука, 1994. 382 с.
6. Пат. 2412035 Российская Федерация, В 23 К 35/40, В 23 К 11/30. Способ изготовления электродов для контактной сварки / Бусыгин С. Л., Демченко А. И., Рафальский А. С. № 2010108888/02 ; заявл. 09.03.2010 ; опубл. 20.02.2011, Бюл. № 5. 5 с.
7. Восстановление электродов рельефной сварки / А. П. Рукосуев [и др.] // Вестник КГТУ. 2005. № 40.
C. 11-15.
0
8. Установка для литья электродов контактных машин / А. П. Рукосуев [и др.] // Вестник КГТУ. 2006. № 41. С. 184-191.
9. Рукосуев А. П., Бусыгин С. Л., Ли И. В. Изготовление электродов для электроконтактных машин из утилизированной меди и ее сплавов // Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика : сб. науч. тр. / под ред. В. В. Стацуры ; ГУЦМиЗ. 2005. № 11. С. 57-58.
10. Ватрушин Л. С., Осинцев В. Г., Козырев А. С. Бескислородная медь. М. : Металлургия, 1982. 192 с.
11. Фарбман С. А., Колобнев И. Ф. Индукционные печи для плавки металлов и сплавов. М. : Металлургия, 1968. 496 с.
12. Установка для штамповки электродов рельефной сварки / А. П. Рукосуев [и др.] // Проблемы машиностроения и новые материалы (Борисовские чтения) : материалы Всерос. науч.-техн. конф. с меж-дунар. участием / ред. Е. Г. Синенко. Красноярск : ИПЦ КГТУ, 2006. С. 65-67.
13. Устройство для формирования посадочной части электродов контактной сварки / С. Л. Бусыгин [и др.] // Вестник Ассоциации выпускников КГТУ. 2011. № 20. С. 149-151.
14. Николаев А. К., Новиков А. И., Розенберг В. М. Хромовые бронзы. М. : Металлургия, 1983. 176 с.
15. Николаев А. К., Розенберг В. М. Сплавы для электродов контактной сварки. М. : Металлургия, 1978. 96 с.
References
1. Busygin S. L., Rukosuev A. P., Krushatina S. K., Demchenko A. I., Rafalsky A. S. [The use of resource-saving technologies of metallurgical processing of copper and copper alloys to obtain electrodes of resistance welding]. Vestnik SibGAU. 2010, No. 6 (32), P. 119-121 (In Russ.).
2. Menshikov G. A., Vlasenko A. N., Nevrovsky V. A., Vasin V. A. [Improving the performance of the electrodes in resistance spot welding steels]. Svarochnoe proizvod-stvo. 2008, No. 10, P. 32-35 (In Russ.).
3. Jeremie M. Buday, Lincoln Global, Inc. California [Resistance welding electrode, welded copper flex lead, and method for making same]. Patent US, no. 7355142, 2008.
4. Busygin S. L., Sinichkin A. M., Tokmin A. M. [Getting contact welding electrodes combined casting and stamping]. Metallurgiya mashinostroeniya. 2013, No. 2, P. 39-43 (In Russ.).
5. Ivanova V. S., Balankin A. S., Bunin I. W., Okso-goev A. A. Sinergetika i fraktaly v materialovedenii.
[Synergetics and fractals in materials science]. Moscow, Nauka Publ., 1994, 382 p.
6. Busygin S. L., Demchenko A. I., Rafalsky A. S. Sposob izgotovleniya elektrodov dlya kontaktnoy svarki [A method of manufacturing electrodes for resistance welding]. Patent RF, no. 2412035, 2011.
7. Rukosuev A. P., Busygin S. L., Chubinets V. M., Antonenko O. Yu. [The restoration of projection welding electrodes]. Vestnik KGTU. 2005, No. 40, P. 11-15 (In Russ.).
8. Rukosuev A. P., Busygin S. L., Sinichkin A. M., Novitskiy R. N. [Installation for casting electrodes resistance machines]. Vestnik KGTU. 2006, No. 41, P. 184191 (In Russ.).
9. Rukosuev A. P., Busygin S. L., Lee I. V. [The manufacture of electrodes for electric cars out of recycled copper and its alloys]. GUTsMiZ, Krasnoyarsk. 2005, No. 11, P. 57-58 (In Russ.).
10. Vatrushin L. S., Osintcev V. G., Kozyrev A. S. Beskislorodnaya med'. [Oxygen-free copper]. Moscow, Metallurgy Publ., 1982, 192 p.
11. Farbman S. A., Kolobnev I. F. Induktcionnye pechi dlya plavki metallov i splavov [Induction furnace for melting of metals and alloys]. Moscow, Metallurgiya, Publ., 1968, 496 p.
12. Rukosuev A. P., Busygin S. L., Novitskiy R. N., Veretennikov S. A. [Installation for stamping projection welding electrodes]. Problemy mashinostroeniya i novye materialy (Borisovskie chteniya): materialy vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem. [Problems of mechanical engineering and new materials (Borisov reading): Proceedings of the All-Russian Scientific Conference with international participation]. Krasnoyarsk, IPTs KGTU Publ., 2006, P. 65-67 (In Russ.).
13. Busygin S. L., Charolsky E. M., Rukosuev A. P., Karagaeva S. K. [Apparatus for forming a landing portion of the resistance welding electrodes]. Vestnik Assotsiatsii vypusknikov KGTU. 2011, No. 20, P. 149-151 (In Russ.).
14. Nikolaev A. K., Novikov A. I., Rozenberg V. M. Khromovye bronzy [Chrome bronze]. Moscow, Metallur-giya Publ., 1983, 176 p.
15. Nikolaev A. K., Rozenberg V. M. Splavy dlya elektrodov kontaktnoy svarki. [Alloys for resistance welding electrodes]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1978, 96 p.
© Бусыгин С. Л., Токмин А. М., Богданов В. В., Готовко С. А., 2015
