Приварка стальных шпилек к алюминиевым листам
С учетом экономической и экологической целесообразности замены стальных конструкций сплавами алюминия в
 транспортном машиностроении и строительстве и связанной с этим потребности в стальном крепеже, обеспечивающем
 необходимую нагрузку, разработаны технология приварки стальных шпиле...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Datum: | 2013 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2013
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102407 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Приварка стальных шпилек к алюминиевым листам / Д.М. Калеко // Автоматическая сварка. — 2013. — № 08 (724). — С. 38-42. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860252302550499328 |
|---|---|
| author | Калеко, Д.М. |
| author_facet | Калеко, Д.М. |
| citation_txt | Приварка стальных шпилек к алюминиевым листам / Д.М. Калеко // Автоматическая сварка. — 2013. — № 08 (724). — С. 38-42. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | С учетом экономической и экологической целесообразности замены стальных конструкций сплавами алюминия в
транспортном машиностроении и строительстве и связанной с этим потребности в стальном крепеже, обеспечивающем
необходимую нагрузку, разработаны технология приварки стальных шпилек к алюминиевому листу и конструкция
привариваемой шпильки. Показано, что применение для этого теплового барьера в виде испаряемого цинкового
покрытия на торце шпильки снижает вероятность образования хрупких интерметаллидных соединений в переходном
слое между стальной шпилькой и алюминиевым листом, а увеличенная поверхность приварки обеспечивает равнопрочность соединения со стальной шпилькой. Библиогр. 10, рис. 6.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:45:37Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.053.97
ПРИВАРКА СТАЛЬНЫХ ШПИЛЕК
К АЛЮМИНИЕВЫМ ЛИСТАМ
Д. М. КАЛЕКО
ИЭС им. Е. О. Патона НАНУ. 03680, г. Киев-150, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
С учетом экономической и экологической целесообразности замены стальных конструкций сплавами алюминия в
транспортном машиностроении и строительстве и связанной с этим потребности в стальном крепеже, обеспечивающем
необходимую нагрузку, разработаны технология приварки стальных шпилек к алюминиевому листу и конструкция
привариваемой шпильки. Показано, что применение для этого теплового барьера в виде испаряемого цинкового
покрытия на торце шпильки снижает вероятность образования хрупких интерметаллидных соединений в переходном
слое между стальной шпилькой и алюминиевым листом, а увеличенная поверхность приварки обеспечивает рав-
нопрочность соединения со стальной шпилькой. Библиогр. 10, рис. 6.
К л ю ч е в ы е с л о в а : сварка стали и алюминия, приварка шпилек, тепловые барьеры, покрытия
В последние годы замена стали алюминиевыми
сплавами, особенно в транспортном машиност-
роении и отделочных, работах при строительстве
зданий и сооружений, находит широкое приме-
нение и позволяет снизить массу, повысить кор-
розионную стойкость и связанные с этим эконо-
мические и экологические достоинства продук-
ции. При этом, естественно, возникает проблема
либо крепления алюминиевых листов к несущей
конструкции, либо использования поверхностей
алюминиевых корпусов для навешивания на них
приборов и аппаратуры, трубопроводов и элект-
рических проводов. Как правило, это решается
сверловкой отверстий, ослабляющих алюминие-
вый корпус, или приваркой крепежных деталей
без нарушения целостности конструкции.
Одним из массовых методов присоединения
крепежа к изделиям различного назначения яв-
ляется механизированная приварка шпилек [1].
Правда, существующие методы в основном пред-
назначены для соединения однородных металлов.
Шпильки для массового применения, в том
числе и из алюминиевых сплавов, изготавливают
методом холодной высадки в соответствии со
стандартом ISO 13918. Согласно этому же стан-
дарту выбор алюминиевых сплавов ограничен
алюминием Al 99,5 и сплавом AlMg3 (АМг3).
Учитывая прочность материала, практическое
применение шпилек из алюминиевых сплавов
предполагает незначительную массу навешивае-
мого элемента изделия.
Нагрузку на крепеж можно повысить, приме-
ненив стальные шпильки вместо алюминиевых.
Однако известная проблема охрупчивания зоны
сварки нерастворимыми соединениями железа и
алюминия не позволяет применить стандартные
стальные шпильки и известные способы их при-
варки к алюминиевым изделиям.
В последние годы появились реальные методы
[2] соединения стали и алюминия плавлением, ко-
торые позволили получать удовлетворительный
результат при уменьшении тепловложения в про-
цесс, главным образом в стальную деталь.
Ранее в работе [3] было показано, что приварка
стальных и алюминиевых шпилек к листам из
тех же материалов при разнородном их сочетании
разрядом конденсаторов дает возможность полу-
чить удовлетворительные соединения благодаря
кратковременности процесса. Несмотря на нали-
чие в зоне стыка некоторого количества интер-
металлидной фазы она не снижает качество со-
единения, поскольку не представляет собой неп-
рерывный слой, а вкраплена в мягкую алюмини-
евую матрицу.
Однако при многих достоинствах, обусловлен-
ных кратковременностью разряда при конденса-
торной приварке шпилек, та же кратковремен-
ность процесса требует относительно высокой
точности при изготовлении шпильки и производ-
стве работ. В частности, необходимость высокой
чистоты поверхности и сохранение с высокой точ-
ностью (приблизительно ± 2о для шпильки М6)
перпендикулярности оси ручного инструмента –
сварочного пистолета – плоскости соединения. Из
геометрических соображений последнее требова-
ние возрастает при увеличении диаметра шпильки
и соответственно диаметра буртика на ее прива-
риваемом конце. Это обстоятельство сыграло важ-
ную роль при выборе способа приварки шпилек
по причинам, которые вытекают из изложенного
ниже.
Менее требователен по технике сварки метод
приварки шпилек дугой постоянного тока корот-
© Д. М. Калеко, 2013
38 8/2013
ким циклом, который сопоставим по диаметрам
привариваемых этим способом шпилек с конден-
саторной сваркой. Благодаря существенному уве-
личению времени сварки (от единиц до десятков
миллисекунд) удается успешно приваривать
шпильки по замасленной или окисленной повер-
хности при допускаемой непараллельности сва-
риваемых поверхностей до 10°. Эти особенности
обусловили применение, например, в автомобиль-
ной промышленности, исключительно приварки
шпилек коротким циклом. Однако использование
этого метода ограничивается либо толщиной лис-
та (более 1/4 диаметра шпильки), либо пробле-
мами при сварке разнородных металлов, в том
числе, при сварке стальных шпилек с алюмини-
евым листом.
Таким образом, назрела необходимость разра-
ботки технологии соединения этих металлов ме-
тодом приварки шпилек коротким циклом с уче-
том запросов промышленности и строительной
индустрии. При этом задача разбивается на две
части — предложить технологию, позволяющую
избежать или значительно затруднить образова-
ние интерметаллидов железо–алюминий в метал-
ле стыка, и форму стальной шпильки, повыша-
ющую прочность соединения до требований стан-
дарта ISO 14555 (соединение должно выдержи-
вать изгиб шпильки на угол не менее 60°).
Как было отмечено выше, помешать образо-
ванию интерметаллидных соединений железа и
алюминия при сварке плавлением, к которой от-
носится приварка шпилек, можно путем умень-
шения времени взаимодействия этих металлов и
обеспечения допустимого парциального состава
жидкой фазы перед окончанием процесса. Наи-
более благоприятны условия при минимальном
содержании железа в расплаве и высокой скорости
охлаждения, обусловливающей ничтожно малую
взаимную диффузию элементов. Второе условие
хорошо выполняется при приварке шпилек ко-
ротким циклом, поскольку энергия, вложенная в
свариваемые детали, не превышает 1 кДж, и она
отводится в холодные детали.
Для выполнения первого условия была пред-
ложена [4] шпилька с барьерным покрытием, ко-
торое служит для торможения плавления мате-
риала шпильки (в обсуждаемом процессе — ста-
ли) путем поглощения энергии дуги, нагревающей
свариваемые поверхности.
Для исследований были выбраны два варианта
широко применяемых покрытий: цинковое и хро-
мовое, имеющих резко отличающиеся тепловые
свойства. Температура испарения цинка (906,2 °С)
ниже температуры плавления стали, а у хрома
— выше (2672 °С), но зато хром имеет значи-
тельно более высокую теплоту испарении, чем
цинк (соответственно ~6,6 и ~1,7 кДж/г). Такой
выбор позволил сравнить роль теплофизических
параметров — температуры и теплоты испарения
— в торможении плавления металла шпильки.
Последнее оценивали по микроструктурам свар-
ных соединений.
Первую серию экспериментов проводили со
стандартными (в соответствии с ISO 13918) сталь-
ными шпильками М6 без покрытия, с цинковым
и хромовым покрытиями толщиной 20 мкм. При-
варку коротким циклом к листу А0 толщиной
3 мм проводили на установке GLV 650 при токе
около 600 А (нерегулируемый) и переменных зна-
чениях времени сварки и длины дуги, определя-
ющей не только напряжение на дуге, но и скорость
погружения шпильки в ванну расплавленного ме-
талла на поверхности листа при дугоконтактной
сварке с пружинной осадкой. Сварку вели с ар-
гоновой защитой зоны соединения при расходе
газа 15 л/мин во всех экспериментах.
Влияние покрытия на шпильке на характерис-
тики дуги изучали с помощью цифрового осцил-
лографа С9-8. Анализ осциллограмм показывает,
что при использовании оцинкованных шпилек
напряжение на дуге несколько повышается по
сравнению с приваркой непокрытых шпилек из-за
интенсивного испарения цинкового покрытия и
соответствующего повышения давления в корот-
ком дуговом промежутке.
Как видно из рис. 1, наименьшую прочность
имеют соединения со шпильками без покрытия,
а наибольшую при оптимальном времени сварки
— оцинкованные шпильки. Хромовое покрытие
не дает такой выразительный эффект, как цин-
ковое, из-за значительно большей, чем у цинка,
температуры испарения. Поэтому основной ме-
талл хромированной шпильки плавится еще до
испарения покрытия, чем обусловливается увели-
чение объема жидкой железной фазы в стыке по
сравнению с приваркой оцинкованных шпилек.
Вместе с тем при увеличении продолжительности
сварки выше оптимальной прочность соединений
с хромированными шпильками больше, чем у не-
Рис. 1. Зависимость прочности сварных соединений от соста-
ва покрытия и продолжительности сварки
8/2013 39
покрытых, поскольку часть тепловой энергии рас-
ходуется на испарение хрома, а у оцинкованных
ниже из-за того, что цинковое покрытие за это
время полностью испаряется, оголяя стальную
сердцевину шпильки и приводя к уравниванию
прочности соединений оцинкованной и непокры-
той шпильки с алюминиевым листом.
При продолжительности нагрева, меньше оп-
тимальной, роль покрытий становится неощути-
мой из-за недостаточного испарения и соответс-
твенно снижения эффекта охлаждения стальной
основы шпильки.
На рис. 2, где представлены микроструктуры
соединений, полученных со стальной шпилькой
М6 стандартной формы и разными покрытиями,
хорошо видна зона термического воздействия
(ЗТВ) дуги, уменьшающаяся при переходе от не-
покрытой шпильки к хромированной и далее к
оцинкованной.
Микротвердость, измеренная при нагрузке
50 г, по линии, перпендикулярной поверхности
соединений (рис. 3), показывает, что во всех слу-
чаях максимальная зафиксированная твердость в
2 раза ниже твердости интерметаллида FeAl3
(9600 МПа [5]).
Таким образом, покрытие на привариваемой
поверхности шпильки позволяет управлять теп-
ловыделением в материал шпильки и получить
соединение стальной шпильки с алюминиевым
листом, не имеющее хрупкого интерфейса. Од-
нако прочность такого соединения не превышает
прочность алюминиевого сплава (в наших экс-
периментах разрушающее напряжение достигало
800 МПа).
Следует заметить, что теплорегулирующие
покрытия применяли и ранее, например, алюми-
ниевые покрытия при сварке ниобия с цирконием
[6]. Однако при этом покрытие играло роль ра-
диатора, охлаждающего ЗТВ. Легкоплавкие же
гальванические покрытия (цинк, серебро) при
сварке стали и алюминия плавлением предназ-
начены для улучшения смачиваемости стали алю-
минием [7].
Поскольку прочность соединения, как извес-
тно, зависит от его площади (при прочих равных
условиях), то для обеспечения равнопрочности со-
единения у стальной шпильки следует увеличить
диаметр привариваемой поверхности пропорци-
онально отношению пределов прочности на рас-
тяжение стали и алюминия. Принимая прочность
стали 08, из которой в основном штампуются
шпильки, равной 325 МПа [8], а прочность алю-
миниевого сплава АД — 60 МПа [9], получаем
коэффициент увеличения диаметра стандартного
буртика — 2,3. Учитывая, что в результате осадки
шпильки в ванну расплавленного металла на листе
вокруг буртика образуется валик, повышающий
Рис. 2. Микроструктуры (×200) зоны соединений стальных шпилек М6 с алюминиевым листом толщиной 3 мм с разными
покрытиями до сварки: а — без покрытия; б — хромовое; в — цинковое
Рис. 3. Распределение микротвердости перпендикулярно
плоскости соединения стальной шпильки с алюминиевым
листом
40 8/2013
площадь соединения, вычисленный коэффициент
увеличения диаметра буртика уменьшили до 2,1.
Таким образом, для получения соединения, не ус-
тупающего по прочности стальной шпильке М6,
которая приваривается к алюминиевому листу,
диаметр буртика должен быть увеличен с 7,5 до
16 мм.
Приварку шпилек с увеличенным диаметром
к легкоплавкому алюминию целесообразно вести
с вращением дуги в магнитном поле [10], что
уменьшает плотность тепловыделения на листе
и соответственно опасность его проплавления.
Для этого были изготовлены шпильки с различной
формой привариваемой поверхности (рис. 4).
Толщину цинкового покрытия, удовлетворяю-
щую требованию минимального, но необходимо-
го плавления (для устранения неизбежных отк-
лонений технологических условий от идеальных,
о которых говорилось в начале статьи) стальной
основы шпильки, вычисляли с помощью специ-
ально разработанной Фортран-программы. Пос-
кольку для других металлов, кроме цинка, не были
найдены сведения о зависимости теплофизичес-
ких характеристик в жидком состоянии от тем-
пературы, то расчет был проведен только для цин-
кового покрытия.
На рис. 5 видно влияние толщины цинкового
покрытия на толщину расплавленного металла те-
ла шпильки. Понятно, что с повышением про-
должительности сварки, связанной с переходом
к шпилькам с увеличенным диаметром поверх-
ности соединения, толщина покрытия должна воз-
растать.
Эксперименты по приварке шпилек, показан-
ных на рис. 4, проводили на аппарате BMK-16i
фирмы «Soyer», толщина цинкового покрытия
шпилек составляла 20, 30 и 50 мкм.
В соединениях с оцинкованными шпильками,
которые имели ленточный выступ, наблюдалось
недостаточное заплавление полости под бурти-
ком, что, естественно, приводило к слабой проч-
ности соединения. Соединение удовлетворитель-
ного качества (рис. 6) удалось получить при токе
970 А, напряжении на дуге 22 В, длительности
импульса 0,2 с, токе магнитной катушки 1 А,
длине дуги (высоте подъема шпильки) 1,5 мм.
Выводы
1. Основным условием получения прочного со-
единения стальной шпильки с алюминиевым лис-
том, в чем нуждаются авто- и судостроение, а
также строительная индустрия, является миними-
зация образования хрупкого переходного слоя,
Рис. 4. Эскизы (а–в) стальных шпилек для при-
варки к алюминиевому листу методом корот-
кого цикла с вращающейся дугой
Рис. 5. Расчетная зависимость толщины расплавленного слоя
стали на торце шпильки М6 стандартной формы от толщины
нанесенного цинкового покрытия (продолжительность свар-
ки 40 мс, сварочный ток 600 А)
Рис. 6. Соединение стальной шпильки диаметром 6 мм с
алюминиевым листом толщиной 3 мм после испытания на
ударный изгиб по ISO 14555
8/2013 41
состоящего из интерметаллидных соединений же-
леза и алюминия. Используемые в настоящее вре-
мя методы для соединения алюминиевых и сталь-
ных деталей основаны на ограничении энергии
нагрева стальной детали и соответственно умень-
шении содержания железа в ванне жидкого алю-
миния.
2. Разработан метод регулирования сварочного
нагрева деталей путем нанесения на нагреваемую
поверхность слоя металла, имеющего температу-
ру испарения меньше температуры плавления ос-
новного металла. Для стальной шпильки такими
материалами могут быть магний, цинк, кадмий,
теллур, а также некоторые сплавы этих металлов.
С экономической точки зрения преимущество
имеет цинк.
3. Для получения соединения, равнопрочного
со стальной шпилькой, диаметр привариваемой
поверхности шпильки следует увеличивать до раз-
мера не менее чем 2,5 диаметра основного тела
шпильки. Такие шпильки должны привариваться
методом сварки коротким циклом с магнитным
вращением дуги, что позволяет уменьшить глу-
бину проплавления алюминиевого листа.
4. Разработана новая форма шпильки, благо-
даря чему удалось получить соединения, соответ-
ствующие показателям удовлетворительной проч-
ности по ISO 14555.
Автор выражает глубокую признательность
фирме «Soyer» за помощь в проведении заклю-
чительной части экспериментов.
1. Калеко Д. М. Дугоконтактная торцевая сварка шпилек и
бонок // Сварщик. — 1999. — № 4. — С. 7–8.
2. Калеко Д. М. Современные способы сварки алюминие-
вых сплавов со сталями (Обзор) // Автомат. сварка. —
2012. — № 10. — С. 29–36.
3. Калеко Д. М., Моравский В. Э., Чвертко Н. А. Ударная
конденсаторная сварка. — Киев: Наук. думка, 1984. —
200 с.
4. Пат. 100452 Україна МКI B23 k 9/20. Шпилька для тор-
цевого приварювання / Б. Є. Патон, Д. М. Калеко. —
Бюл. № 24, 2012.
5. Вол А. Е. Строение и свойства двойных металлических
систем. — М.: Физматгиз, 1959. — 756 с.
6. Использование теплоотводящих алюминиевых покрытий
при сварке сплава циркония с 2,5 % ниобия / М. М. Не-
роденко, А. Б. Гончаров, В. Ф. Кирилюк, А. Т. Зельни-
ченко // Автомат. сварка. — 1987. — № 2. — С. 28–31.
7. Рябов В. Ф. Сварка алюминия и его сплавов с другими
металлами. — Киев: Наук. думка, 1983. — 264 с.
8. Марочник стали и сплавов / В. Г. Сорокин, А. В. Воло-
синкова, С. А. Вяткин и др. — М.: Машиностроение,
1989. — 640 с.
9. Колачев Б. А., Ливанов В. А., Елагин В. И. Металловеде-
ние и термическая обработка цветных металлов и спла-
вов. — М.: Металлургия, 1972. — 480 с.
10. Пат. 25037 Україна МКI B23 k 9/20. Спосіб дугоконтак-
тного таврового зварювання і пристрій для його
здійснення / Д. М. Калеко, В. Н. Бишовець. — Опубл.
25.12.98, Бюл. № 6.
Поступила в редакцию 20.05.2013
РАЗРАБОТАНО В ИЭС
ТЕХНОЛОГИЯ ПАЙКИ КОНСТРУКЦИЙ,
ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ
В ИЭС созданы припои и высокоэффективное оборудование для высокотемпературной пайки ответст-
венных конструкций из разнородных материалов.
Паяные соединения медь–вольфрам имеют хорошую работоспособность, в том числе под воздействием
нейтронного облучения и жесткого термоциклирования.
Технология высокотемпературной пайки позволяет создавать тонкостенные решетчатые конструкции,
применяемые в системах управления летательных аппаратов.
Паяная модель узла дивертора установки термо-
ядерного синтеза (соединение медь — вольфрам)
Высокоэффективные решетчатые рули ракеты, из-
готовленные пайкой в карусельной вакуумной
печи
42 8/2013
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102407 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:45:37Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Калеко, Д.М. 2016-06-11T20:41:42Z 2016-06-11T20:41:42Z 2013 Приварка стальных шпилек к алюминиевым листам / Д.М. Калеко // Автоматическая сварка. — 2013. — № 08 (724). — С. 38-42. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102407 621.791.053.97 С учетом экономической и экологической целесообразности замены стальных конструкций сплавами алюминия в
 транспортном машиностроении и строительстве и связанной с этим потребности в стальном крепеже, обеспечивающем
 необходимую нагрузку, разработаны технология приварки стальных шпилек к алюминиевому листу и конструкция
 привариваемой шпильки. Показано, что применение для этого теплового барьера в виде испаряемого цинкового
 покрытия на торце шпильки снижает вероятность образования хрупких интерметаллидных соединений в переходном
 слое между стальной шпилькой и алюминиевым листом, а увеличенная поверхность приварки обеспечивает равнопрочность соединения со стальной шпилькой. Библиогр. 10, рис. 6. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Производственный раздел Приварка стальных шпилек к алюминиевым листам Welding of steel studs to aluminium sheets Article published earlier |
| spellingShingle | Приварка стальных шпилек к алюминиевым листам Калеко, Д.М. Производственный раздел |
| title | Приварка стальных шпилек к алюминиевым листам |
| title_alt | Welding of steel studs to aluminium sheets |
| title_full | Приварка стальных шпилек к алюминиевым листам |
| title_fullStr | Приварка стальных шпилек к алюминиевым листам |
| title_full_unstemmed | Приварка стальных шпилек к алюминиевым листам |
| title_short | Приварка стальных шпилек к алюминиевым листам |
| title_sort | приварка стальных шпилек к алюминиевым листам |
| topic | Производственный раздел |
| topic_facet | Производственный раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102407 |
| work_keys_str_mv | AT kalekodm privarkastalʹnyhšpilekkalûminievymlistam AT kalekodm weldingofsteelstudstoaluminiumsheets |