Свара дисков: варить нельзя выбрасывать!
![топ 100 блогов](/media/images/default.jpg)
Фура знаний из Сколково подъехала и читатель блога решил разгрузить ее прямиком на ваши головы. С удовольствием опубликую что-то полезное, если пришлете. С автором можно пообщаться в комментах.
Начать, наверное, следует с небольшой исторической ссылки. Отрежем всё скучное и начнем сразу со сладкого. Расцвет сварочных технологий в мире начался во время Второй мировой войны. Именно тогда были заложены основы всех современных технологий сварки. Немаловажно, что одним из реальных, а не псевдо-лидеров, был СССР. Но так было не всегда, заставила нужда, так как до войны ситуация была плохая. В ходе прошедшей в 1938 г. на Ижорском заводе конференции технологи печально констатировали, что сварные конструкции поражены трещинами. Сотрудникам завода пришлось хитрить и корректировать состав броневой стали марки - лишь бы улучшить ее свариваемость. То бишь, люди обдуманно пошли на ухудшение свойств конструкции для увеличения выхода годной продукции.
Только в 1940 г. сотрудники Института электросварки АН УССР сумели самостоятельно воссоздать метод автоматической сварки под слоем флюса, запатентованный в 1936 г. американской фирмой «Линде». Однако то был процесс для рядовой стали, для сварки брони метод не подходил, но начало было положено.
К лету 1941 года, процесс были завершены лабораторные испытания процесса и оборудования. Новый метод продемонстрировал великолепное качество: при испытании сваренной конструкции Т34 снарядным обстрелом оказался разбит не шов, а броневой лист.
6 ноября 1941 г. нарком танковой промышленности В. А. Малышев, будучи в Нижнем Тагиле, подписал приказ №0204/50, содержащий предписание всем предприятиям отрасли: «В связи с необходимостью в ближайшее время значительно увеличить производство корпусов для танков и недостатком квалифицированных сварщиков на корпусных и танковых заводах, единственно надежным средством для обеспечения выполнения программ по корпусам является применение уже зарекомендовавшей себя и проверенной на ряде заводов автоматической сварки под слоем флюса по методу академика Патона.
![Свара дисков: варить нельзя выбрасывать! Свара дисков: варить нельзя выбрасывать!](/images/main/svara-diskov-varit-nelzya-vibrasivat-bd09d3.jpg?from=https://ic.pics.livejournal.com/bmwservice/44166753/476793/476793_original.png)
На сварочных аппаратах, работали студент театрального техникума, учитель математики из сельской школы, колхозный чабан из Дагестана, хлопковод из Бухары, художник из украинского городка, на сварке башен танка Т-34 работали девушки из Марийской автономной республики. В общем – кто угодно, при условии автоматизации процесса.
Сварка – один из основных технологических процессов в военной области. И в СССР он был крайне сильно развит, но только пока военка держала заказы. С известного всем момента, вдруг «пропали все полимеры». Сейчас всё - как везде. Теперь, перейдем глубже в интересующую нас тему.
Почему диски алюминиевые.
Если не вдаваться в глубокий анализ, то это самый дешевый и сердитый сферический конь в вакууме. По показателям отношения прочности и текучести к плотности высокопрочные алюминиевые сплавы значительно превосходят чугун, низкоуглеродистые и низколегированные стали, чистый титан и уступают лишь высоколегированным сталям повышенной прочности и сплавам титана.
Проблема сварки Al сплавов.
Проблем при сварке Al сплавов масса, большинство из них узкопрофессиональны, но я выделю только наиболее значимые и важные для понимания обывателя, не связанного с процессом.
- Окисная пленка, которая покрывает алюминий и его сплавы. Температура ее плавления – 2044С, а температура плавления самого металла – 660С. При расплавлении алюминия он перекатывается внутри этой пленки наподобие ртути.
- При нагревании из алюминия начинает выходить водород, который после застывания металла оставляет в его теле поры и трещины.
- Большой показатель усадки. А это приводит к деформации сварочного шва в процессе его остывания. Что влияет и на балансировку колес в целом.
- Если говорить о сварке алюминия своими руками, то ваш сплав будет неизвестной марки, к которому придется подбирать сварочный режим и адекватные дополнительные материалы. И пробовать придется прямо на вашем диске!
Общие сведения
При сварке алюминиевых сплавов кристаллическая структура и механические свойства металла швов могут изменяться в зависимости от состава сплава, используемого присадочного металла, способов и режимов сварки. Для всех способов сварки характерно наличие больших скоростей охлаждения и направленного отвода тепла. При кристаллизации в этих условиях в структуре металла образуется эвтектика, которая снижает пластичность и прочность металла. В связи с этим в швах возможно возникновение кристаллизационных трещин в процессе кристаллизации.
![Свара дисков: варить нельзя выбрасывать! Свара дисков: варить нельзя выбрасывать!](/images/main/svara-diskov-varit-nelzya-vibrasivat-902d52.jpg?from=https://ic.pics.livejournal.com/bmwservice/44166753/477120/477120_original.png)
Рис. 2 Финальная стадия образования эвтектики в сплаве.
![Свара дисков: варить нельзя выбрасывать! Свара дисков: варить нельзя выбрасывать!](/images/main/svara-diskov-varit-nelzya-vibrasivat-e38853.jpg?from=https://ic.pics.livejournal.com/bmwservice/44166753/477207/477207_original.png)
Рис. 3 Кристаллизационные трещины алюминия
Свойства сварных соединений зависят также от процессов, протекающих в околошовных зонах. При сварке чистого алюминия и сплавов, неупрочняемых термической обработкой, в зоне теплового воздействия наблюдается рост зерна и некоторое их разупрочнение, вызванное снятием нагартовки (он же наклёп - упрочнение происходящее при изменении структуры и фазового состава материала в процессе пластической деформации при холодной обработке).
![Свара дисков: варить нельзя выбрасывать! Свара дисков: варить нельзя выбрасывать!](/images/main/svara-diskov-varit-nelzya-vibrasivat-cedc91.jpg?from=https://ic.pics.livejournal.com/bmwservice/44166753/477468/477468_original.png)
Рис. 4 Микроструктура сварного шва.
Рост зерна и разупрочнение нагартованного металла при сварке изменяется в зависимости от способа сварки, режимов и степени предшествовавшей сварке нагартовки. Свариваемость сплавов АlMg осложняется повышенной чувствительностью их к нагреву и склонностью к образованию пористости и вспучиванию в участках основного металла, непосредственно примыкающих к шву. Способность этих сплавов образовывать пористость в зонах термического воздействия связывается с наличием молекулярного водорода. После обработки образуются несплошности в виде каналов или коллекторов, в которых водород находится под высоким давлением.
При сварке сплавов, упрочняемых термической обработкой, в зонах около шва происходят изменения, ухудшающие свойства свариваемого металла. Однако самым опасным изменением, резко ухудшающим свойства металла и способствующим образованию трещин, является оплавление границ зерен. Появление жидких прослоек между зернами снижает механические свойства металла в нагретом состоянии и так же способствует образованию кристаллизационных трещин. Это происходит независимо от способа сварки и исходного состояния металла, в непосредственной близости от шва. Ширина этой зоны меняется в зависимости от способа и режимов сварки. Наиболее широкая зона появляется при газовой сварке и более узкая при способах сварки с жестким термическим воздействием.
![Свара дисков: варить нельзя выбрасывать! Свара дисков: варить нельзя выбрасывать!](/images/main/svara-diskov-varit-nelzya-vibrasivat-6556f3.jpg?from=https://ic.pics.livejournal.com/bmwservice/44166753/477800/477800_original.png)
Рис. 5 Зоны сварного шва
Распределение эвтектики в этой зоне изменяется в зависимости от исходного состояния сплава. В сварных соединениях, полученных при сварке закаленного сплава, эвтектика располагается в виде сплошной прослойки вокруг зерен. Последующей термической обработкой не удается восстановить свойства металла в зоне, прилежащей к шву, что приводит к большому изменению прочности соединений и делает ненадежными эти соединения в эксплуатации.
![Свара дисков: варить нельзя выбрасывать! Свара дисков: варить нельзя выбрасывать!](/images/main/svara-diskov-varit-nelzya-vibrasivat-a22f85.jpg?from=https://ic.pics.livejournal.com/bmwservice/44166753/478059/478059_original.png)
Рис. 6 Микроструктура сварного шва до(а) и после(б) испытания на разрыв. Разрушение точно по границе сварного соединения.
А места соединений всегда будут местами концентрации напряжений и очагами разрушения под нагрузкой.
Подготовка под сварку
Важным этапом на пути к результату (которым часто пренебрегают), является подготовка шва. При подготовке деталей из алюминиевых сплавов под сварку профилируют свариваемые кромки, удаляют поверхностные загрязнения и окислы. Обезжиривание и удаление поверхностных загрязнений осуществляют с помощью органических растворителей (обычны уайтспирит). Удаление поверхностной окисной пленки является наиболее ответственной операцией подготовки деталей. При этом в основном удаляют старую пленку окислов, содержащую значительное количество адсорбированной влаги.
Окисную пленку можно удалять с помощью металлических щеток. После зачистки кромки вновь обезжиривают растворителем. При этом, нельзя подготовить и отложить на завтра, продолжительность хранения деталей перед сваркой после зачистки 2—3 ч. При сварке деталей из сплавов алюминия, содержащих магний повышенной концентрации (например, сплава АМгб), перед сваркой кромки деталей и особенно их торцовые поверхности необходимо зачищать шабером. Применение при аргонодуговой сварке флюсов, наносимых на торцовые поверхности перед сваркой в виде дисперсной взвеси фторидов в спирте, также способствует уменьшению количества окисных включений в металле шва.
Соединение
При сварке плавлением алюминиевых сплавов наиболее рациональным типом соединений являются стыковые, выполнить которые можно любыми способами сварки. Для устранения окисных включений в металле швов применяют подкладки с канавкой или разделку кромок с обратной стороны шва, что в некоторых случаях обеспечивает удаление окисных включений из стыка в формирующую канавку или в разделку. При разделке кромок угол их раскрытия ограничивают с целью уменьшения объема наплавленного металла в соединении и как следствие - вероятности образования дефектов. Площади сечения деталей в зоне соединения делают приблизительно одинаковыми.
Присадки
Улучшение кристаллической структуры металла швов при сварке алюминия и некоторых его сплавов достигается модифицированием в процессе сварки. Поэтому при сварке используют присадки (цирконий, титан, бериллий). Введение этих элементов в небольших количествах позволяет улучшить кристаллическую структуру металла швов и снизить их склонность к трещинообразованию.
При выборе присадочного металла учитывают возможность появления в структуре металла швов различных химических соединений. При сварке сплавов алюминия, содержащих магний, с применением присадочной проволоки, содержащей кремний, в металле швов и особенно в зоне сплавления появляются иглообразные выделения Mg2Si, снижающие пластические свойства сварных соединений. Неблагоприятно влияют на свойства соединений из сплавов системы Аl—Mg ничтожно малые добавки натрия, которые могут попадать в металл шва через флюсы.
Дуговая сварку в среде защитных газов (Варю аргоном)
Самый массовый и «бытовой» вариант для сварки алюминия и его сплавов. В качестве защитного газа применяют аргон чистотой не менее 99,9% (по ГОСТ 10157-79) или смесь аргона с гелием. С вероятностью 99% вам предложат варить именно так. Если предложат варить электродами вручную, это стопроцентный win и премия Дарвина для ваших дисков. А заводские методы Вам скорее всего будут недоступны.
Основным преимуществом процесса является высокая устойчивость горения дуги. Благодаря этому процесс используется при сварке тонких листов. При ручной сварке горелку перемещают с наклоном «углом вперед». Угол наклона горелки к плоской поверхности детали около 60°. Присадочная проволока подается под возможно меньшим углом к плоской поверхности детали. При механизированной или автоматической сварке неплавящимся электродом горелка располагается под прямым углом к поверхности детали, а присадочная проволока подается таким образом, чтобы конец проволоки опирался на край сварочной ванны; скорость подачи меняется от 4—6 до 30—40 м/ч в зависимости от толщины материала.
Что мы можем получить после сварки?
Представим, что были соблюдены все рекомендации, мастер был трезв, Луна была в зените, а Марс сошелся с юпитером. То есть, в лабораторных условиях, при соблюдении всех тонкостей процесса (автоматизация, зачистка, обезжиривание, профессионализм сварщика, 100% соответствие режима сварки – свариваемому материалу, присадки и т.д., и т.п.) предел прочности образцов, сваренных шовной сваркой, зависит от толщины металла и, например, для сплава AMг6 составляет в среднем 80% предела прочности на растяжение основного металла. Это при условии, что Ваш автомобиль в этих дисках стоит на месте и ничего не происходит. Не забывайте, что у вас уже не цельный диск, а «составной», с которым надо обходиться уже по-другому. Простой пример - наступает лето, и Вы соскучились по покатушкам. Смотрим на график ниже
![Свара дисков: варить нельзя выбрасывать! Свара дисков: варить нельзя выбрасывать!](/images/main/svara-diskov-varit-nelzya-vibrasivat-c36833.jpg?from=https://ic.pics.livejournal.com/bmwservice/44166753/478234/478234_original.png)
Рис. 7 Прочность сварных соединений из Al сплавов при повышенных температурах (соединения встык, толщина 2 мм)
Нас интересует начальный участок кривой В92 (например, как самой показательной)
![Свара дисков: варить нельзя выбрасывать! Свара дисков: варить нельзя выбрасывать!](/images/main/svara-diskov-varit-nelzya-vibrasivat-1c6759.jpg?from=https://ic.pics.livejournal.com/bmwservice/44166753/478517/478517_original.png)
Рис. 8 Увеличенный участок до 100С предыдущего рисунка
Тут можно легко оценить потери прочности при нагреве всего до 100 градусов, которые легко достигнуть при активной езде летом.
![Свара дисков: варить нельзя выбрасывать! Свара дисков: варить нельзя выбрасывать!](/images/main/svara-diskov-varit-nelzya-vibrasivat-616b11.jpg?from=https://ic.pics.livejournal.com/bmwservice/44166753/478906/478906_original.png)
Рис. 9 Автомобиль под пристальным взором тепловизора.
Вместо 343 МПа (~35 кгс/мм2) вы получите 274 МПа (~28 кгс/мм2). Потери – больше 20%! Ну, конечно, скажет пытливый читатель, а почему именно эта кривая? А вы точно знаете из какого именно сплава сделаны Ваши диски? А что, на 10% вы согласитесь со спокойной душой?
В сухом остатке
Механические свойства сварных соединений алюминиевых сплавов зависят от технологии их получения, а также состояния материала до сварки и обработки после сварки.
Важно понимать, что в сварных конструкциях, которые проектируются с учетом характеристик прочности сварных соединений в основном используют полуфабрикаты из деформируемых сплавов – у них микроструктура и хим. состав более-менее приспособлены к сварке. А большинство ремонтирующихся в гаражах дисков – литые.
Я глубоко сомневаюсь, что Вам делали, или обещают сделать именно так как описано выше, глубоко погружаясь именно в Вашу конкретную задачу. Скорее всего вы просто очередной клиент с бабками… Вспомните начало статьи, про Т34, там люди работали с известными материалами, по известным режимам и даже так – косячили. Думаете что-то кардинально изменилось? Думаете, что именно ваш мастер высоко квалифицирован? Человеческий фактор — это основной фактор нестабильности качества на производстве.
Учитывая всё вышесказанное я бы оценил прочность сварного шва в ваших дисках как 30-50% от исходной. Ну, т.е. вы покупаете новые диски и смело сфрезеровываете 30-50% толщины диска, а затем сразу, едите наваливать на трек, смотреть на результат! Неудачные наезд зимой на бордюр или на что угодно при обгоне – может быть фатален.
Помните, что:
- У вас обязательно, как бы вы ни
старались произойдет изменение кристаллической структуры в области
сварки и как следствие – ухудшение механических свойств. Они будут
неоднородны по всему диску.
- Место сварки потенциально будет менее
пластично (более хрупко) и менее прочно. Это концентратор
напряжений.
- При сварке дисков КРАЙНЕ важна
квалификация сварщика и оснащенность конторы, и максимум что вы
сможете достигнуть это 80-90% процентов от начальных свойств, но
это только в теории.
- Самое низкое качество при сварке
электродами, за ними следует
аргон.
- Как бы на первый взгляд хорошо не
выглядела сварка, диск всё равно поведет (коробление) что отразится
еще и на балансировке колес и управляемости автомобиля в
целом.
Так что, если вы владелец тойоты с ватным диваном вместо подвески, то вполне возможно вам будет всё равно, но, если вы владелец М-ки, с жесткой подвеской и вдруг решили сэкономить на дисках купив вареные, то, пожалуйста,
руководитель направления «Промышленность»
центра компетенций НТИ Министерства образования РФ,
заслуженный читатель Блога.
|
</> |