Контактная сварка алюминиево-стальных переходников с использованием деформируемых композитных прослоек
Разработана новая технология контактной сварки алюминия со сталью применительно к изготовлению биме- таллических переходников токоведущих шин большого сечения, используемых в электролизерах при производстве алюминия. Изучен механизм деформации пакета и формирования сварного соединения. Изготовлена...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2006 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2006
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102768 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Контактная сварка алюминиево-стальных переходников с использованием деформируемых композитных прослоек / В.С. Кучук-Яценко, А.В. Лозовская, А.А. Наконечный, А.Г. Сахацкий // Автоматическая сварка. — 2006. — № 8 (640). — С. 46-48. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102768 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Кучук-Яценко, В.С. Лозовская, А.В. Наконечный, А.А. Сахацкий, А.Г. 2016-06-12T14:19:01Z 2016-06-12T14:19:01Z 2006 Контактная сварка алюминиево-стальных переходников с использованием деформируемых композитных прослоек / В.С. Кучук-Яценко, А.В. Лозовская, А.А. Наконечный, А.Г. Сахацкий // Автоматическая сварка. — 2006. — № 8 (640). — С. 46-48. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102768 621.791.76 Разработана новая технология контактной сварки алюминия со сталью применительно к изготовлению биме- таллических переходников токоведущих шин большого сечения, используемых в электролизерах при производстве алюминия. Изучен механизм деформации пакета и формирования сварного соединения. Изготовлена экспериментальная установка и блок управления процессом сварки. A new technology has been developed for flash-butt welding of aluminium to steel in fabrication of bimetal transition pieces of a large-cross-section current-carrying buses, used in electrolyzers in aluminium production. The mechanism of pack deformation and welded joint formation has been studied. An experimental set-up and welding process control module have been manufactured. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Производственный раздел Контактная сварка алюминиево-стальных переходников с использованием деформируемых композитных прослоек Flash-butt welding of aluminium-steel transition pieces using deformable composite interlayers Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Контактная сварка алюминиево-стальных переходников с использованием деформируемых композитных прослоек |
| spellingShingle |
Контактная сварка алюминиево-стальных переходников с использованием деформируемых композитных прослоек Кучук-Яценко, В.С. Лозовская, А.В. Наконечный, А.А. Сахацкий, А.Г. Производственный раздел |
| title_short |
Контактная сварка алюминиево-стальных переходников с использованием деформируемых композитных прослоек |
| title_full |
Контактная сварка алюминиево-стальных переходников с использованием деформируемых композитных прослоек |
| title_fullStr |
Контактная сварка алюминиево-стальных переходников с использованием деформируемых композитных прослоек |
| title_full_unstemmed |
Контактная сварка алюминиево-стальных переходников с использованием деформируемых композитных прослоек |
| title_sort |
контактная сварка алюминиево-стальных переходников с использованием деформируемых композитных прослоек |
| author |
Кучук-Яценко, В.С. Лозовская, А.В. Наконечный, А.А. Сахацкий, А.Г. |
| author_facet |
Кучук-Яценко, В.С. Лозовская, А.В. Наконечный, А.А. Сахацкий, А.Г. |
| topic |
Производственный раздел |
| topic_facet |
Производственный раздел |
| publishDate |
2006 |
| language |
Russian |
| container_title |
Автоматическая сварка |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Flash-butt welding of aluminium-steel transition pieces using deformable composite interlayers |
| description |
Разработана новая технология контактной сварки алюминия со сталью применительно к изготовлению биме-
таллических переходников токоведущих шин большого сечения, используемых в электролизерах при производстве
алюминия. Изучен механизм деформации пакета и формирования сварного соединения. Изготовлена экспериментальная установка и блок управления процессом сварки.
A new technology has been developed for flash-butt welding of aluminium to steel in fabrication of bimetal transition
pieces of a large-cross-section current-carrying buses, used in electrolyzers in aluminium production. The mechanism of
pack deformation and welded joint formation has been studied. An experimental set-up and welding process control module
have been manufactured.
|
| issn |
0005-111X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102768 |
| citation_txt |
Контактная сварка алюминиево-стальных переходников с использованием деформируемых композитных прослоек / В.С. Кучук-Яценко, А.В. Лозовская, А.А. Наконечный, А.Г. Сахацкий // Автоматическая сварка. — 2006. — № 8 (640). — С. 46-48. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT kučukâcenkovs kontaktnaâsvarkaalûminievostalʹnyhperehodnikovsispolʹzovaniemdeformiruemyhkompozitnyhprosloek AT lozovskaâav kontaktnaâsvarkaalûminievostalʹnyhperehodnikovsispolʹzovaniemdeformiruemyhkompozitnyhprosloek AT nakonečnyiaa kontaktnaâsvarkaalûminievostalʹnyhperehodnikovsispolʹzovaniemdeformiruemyhkompozitnyhprosloek AT sahackiiag kontaktnaâsvarkaalûminievostalʹnyhperehodnikovsispolʹzovaniemdeformiruemyhkompozitnyhprosloek AT kučukâcenkovs flashbuttweldingofaluminiumsteeltransitionpiecesusingdeformablecompositeinterlayers AT lozovskaâav flashbuttweldingofaluminiumsteeltransitionpiecesusingdeformablecompositeinterlayers AT nakonečnyiaa flashbuttweldingofaluminiumsteeltransitionpiecesusingdeformablecompositeinterlayers AT sahackiiag flashbuttweldingofaluminiumsteeltransitionpiecesusingdeformablecompositeinterlayers |
| first_indexed |
2025-11-24T06:05:02Z |
| last_indexed |
2025-11-24T06:05:02Z |
| _version_ |
1850844043652628480 |
| fulltext |
УДК 621.791.76
КОНТАКТНАЯ СВАРКА АЛЮМИНИЕВО-СТАЛЬНЫХ
ПЕРЕХОДНИКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ДЕФОРМИРУЕМЫХ КОМПОЗИТНЫХ ПРОСЛОЕК
В. С. КУЧУК-ЯЦЕНКО, А. В. ЛОЗОВСКАЯ, кандидаты техн. наук,
А. А. НАКОНЕЧНЫЙ, А. Г. САХАЦКИЙ, инженеры (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Разработана новая технология контактной сварки алюминия со сталью применительно к изготовлению биме-
таллических переходников токоведущих шин большого сечения, используемых в электролизерах при производстве
алюминия. Изучен механизм деформации пакета и формирования сварного соединения. Изготовлена эксперимен-
тальная установка и блок управления процессом сварки.
К л ю ч е в ы е с л о в а : контактная сварка сопротивле-
нием, токоведущие шины, биметаллические переходники,
композитная прослойка, технология
Разработка технологии прессовой сварки алюминия
со сталью обусловлена необходимостью приме-
нения биметаллических токопроводящих шин боль-
шого сечения. Особый интерес представляет кон-
тактная сварка пакета алюминиевых пластин со
стальной шиной сплошного сечения, что трудно
осуществимо другими способами сварки.
Как показал опыт, высокая прочность сварных
алюминиево-стальных соединений достигается
при толщине интерметаллидного слоя не более
6 мкм. Необходимо отметить, что механические
свойства сварных соединений в значительной сте-
пени зависят от условий формирования интерме-
таллидных фаз. Они сохраняют удовлетворитель-
ный уровень лишь на начальной стадии процесса
сварки, когда происходит поперечный рост ин-
терметаллидной фазы. Получить качественное со-
единение указанных разнородных металлов поз-
воляют лишь те способы сварки, у которых тер-
мический цикл не превышает температурно-вре-
менных условий образования интерметаллидов.
Указанным требованиям в наибольшей мере со-
ответствует сварка давлением. При изготовлении
алюминиево-стальных переходников получили
распространение такие способы соединения, как
сварка взрывом, трением, магнитно-импульсная,
контактная сварка сопротивлением и оплавлени-
ем, а также прокатка. Все эти способы применимы
в случае сварки изделий ограниченных типораз-
меров, но не пригодны для получения биметал-
лических соединений больших сечений и сложной
конфигурации. Помимо этого, существенные ог-
раничения накладывают высокая стоимость ис-
пользуемого оборудования и сложность его экс-
плуатации.
Целью настоящей работы является разработка
технологии получения алюминиево-стальных пе-
реходников токоведущих шин большого сечения,
в частности катодных узлов электролизеров для
производства алюминия. К такому узлу предъяв-
ляются следующие требования: сопротивление на
разрыв на уровне основного металла — алюминия
АД1; стабильно низкое переходное электрическое
сопротивление; возможность продолжительной
работы при повышенных температурах и ударных
механических нагрузках под действием электро-
магнитных сил.
Отработку контактной сварки осуществляли на
образцах размером 120 70 40 мм, состоящих из
20 листов алюминия АД1 толщиной 1 мм и двух
пластин из стали 20 толщиной 10 мм, и предс-
тавляющих собой натурные образцы переходни-
ков катода электролизера (рис. 1). В промежутки
между алюминиевыми и стальными пластинами
были вставлены специальные деформируемые
композитные прослойки, заполненные неэлектро-
проводным флюсом. Особенности формирования
соединения изучали на стыковых образцах диа-
метром 25 мм.
С целью защиты зоны сварки от окисления,
очистки от оксидов и активации поверхностей со-
единяемых металлов применяли флюс системы
KF–AlF3. Для проведения экспериментов была
осуществлена модернизация сварочного пресса
К602, разработаны специализированные блоки уп-
равления процессом сварки и оснастка, позволя-
ющая выполнять сварку пакета алюминиевых и
стальных пластин с использованием флюса.
Как известно, применение сварки давлением
в твердой фазе позволит уменьшить или избежать
формирования сплошной интерметаллидной про-
слойки. Однако такой способ сварки требует вы-
соких сдвиговых деформаций и ограничений мас-
согабаритных показателей сварочных машин и
© В. С. Кучук-Яценко, А. В. Лозовская, А. А. Наконечный, А. Г. Сахацкий, 2006
46 8/2006
используется только для сварки изделий неболь-
ших сечений [1]. Применение способов сварки,
при которых активация поверхности происходит
вследствие смачивания жидкой фазой, вызывает
неизбежное образование интерметаллидной прос-
лойки из-за существенного тепловложения в зону
соединения, что связано со значительными теп-
лоемкостью, тепло- и электропроводностью алю-
миния. Для изделия типа алюминиево-стального
переходника электролизера, в котором сварива-
ется одновременно внахлест пакет алюминиевых
пластин между собой и со стальными пластинами
с большой площадью поверхности, добиться стоп-
роцентной свариваемости можно только при на-
личии жидкой фазы в зоне соединения. При этом
необходимо ограничить тепловложение и темпе-
ратуру сварки, чтобы избежать превышения ла-
тентного периода образования интерметаллидной
прослойки.
При разработанном способе сварки происходит
активация контактной поверхности смачивания
жидкой фазой и пластическая деформация, что
дает возможность уменьшить температуру и вре-
мя сварки, а также пластическую деформацию.
Этот способ сварки основан на применении мел-
кодисперсных активаторов, которые добавляются
в сварочный флюс с целью обеспечения образо-
вания жидкой эвтектической фазы при темпера-
туре ниже температуры плавления алюминия. В
качестве активаторов использовали присадку из
мелкодисперсных порошков кремния, меди или
цинка. Стыковые алюминиево-стальные образцы
испытывали на разрыв, а сваренные внахлест —
на сдвиг. При этом измеряли переходное элект-
росопротивление сварного шва.
На рис. 2 показаны изменения значений напря-
жения на дуге Uд, сварочного тока Iсв и мощности
Q, выделяемой за время t сварки в стыковых об-
разцах диаметром 25 мм при усилии осадки
10 МПа.
С целью выявления особенностей формирова-
ния сварного шва и влияния различных актива-
торов на прочность и электрическое сопротивле-
ние сварного шва исследовали три партии образ-
цов, полученных на оптимальном режиме сварки
с использованием активирующих присадок —
кремния, меди и цинка.
Испытание на растяжения показали, что образ-
цы, полученные с использованием флюса с при-
садкой кремния, разрушаются по околошовной зоне
алюминия при временном сопротивлении
55…60 МПа. Временное сопротивление образцов
с присадкой меди составляет 48…52 МПа, разру-
шение происходит по интерметаллидной прослой-
ке со стороны алюминия. Образцы, полученные
с присадкой цинка, имеют временное сопротив-
ление 40…43 МПа и разрушаются по шву. Из-
мерение переходного электросопротивления метал-
ла шва проводили с помощью микроомметра и ам-
пер-вольтметра: у образцов, полученных с присад-
кой кремния, оно составляло 1,5, меди — 2, цинка
— 3,7 мкОм.
Особенности формирования структуры и ха-
рактера фазообразования в зоне сварки изучали
с использованием методов оптической и анали-
тической растровой электронной микроскопии. На
рис. 3 представлена микроструктура зоны свар-
ного соединения алюминий АД1–сталь 20, полу-
ченного с применением флюса, содержащего
кремний.
Установлено, что следов промежуточной алю-
миниевой композитной прослойки, используемой
при сварке, не обнаружено. В структуре алюминия
у переходной зоны эвтектические выделения по
границам зерен отсутствуют, что свидетельствует
о полном вытеснении близкоэвтектической жид-
кой фазы из соединения при осадке.
Переходная зона в соединениях алюминий–
сталь, полученных сваркой с использованием ука-
занных выше активаторов, отличается различной
структурой: при использовании флюса с присад-
кой кремния она приближается к прямолинейной,
меди — волнистая, цинка — волнистая с мик-
ропорами. Особенностью микроструктуры, пред-
ставленной на рис. 3, является то, что образую-
щаяся интерметаллидная прослойка состоит из
нескольких слоев, отличающихся травимостью.
Толщина прослойки составляет от 3 до 5 мкм; не-
Рис. 1. Натурный образец алюминиево-стального переходника катода
электролизера
Рис. 2. Диаграмма изменения основных параметров сварочного про-
цесса за время τ сварки
8/2006 47
посредственно к алюминию примыкает темный
слой, затем более тонкий промежуточный, а со
стороны стали — зубчатый. Такой характер струк-
туры переходной интерметаллидной прослойки
свидетельствует о том, что в процессе формиро-
вания соединения происходят двухсторонние диф-
фузионные процессы — проникновение железа в
алюминий и алюминия в сталь. Обычно при свар-
ке в твердой фазе интерметаллидная прослойка
не имеет зубчатой структуры, которая характерна
при алитировании железа жидким алюминием.
Это свидетельствует о том, что на начальном этапе
сварки происходит смачивание стали сплавом на
основе алюминия. В структуре металла шва при
использовании меди и цинка образуется развитая
зона контакта, имеющая выступы и впадины, что
свидетельствует об активном растворении алю-
миния в жидкой фазе. Толщина интерметаллидной
прослойки при этом предусматривается от 3 до
6 мкм. Поскольку при одинаковом термическом
цикле температура образования эвтектики цинк–
алюминий составляет 382 °С, медь–алюминий —
548 °С (тогда, как кремний–алюминий 577 °С)
[2], то при одинаковой температуре сварки рас-
творение основного металла происходит значи-
тельно интенсивнее. Это вызывает формирование
волнистой структуры металла шва.
С целью идентификации фазовых составляю-
щих в зоне взаимодействия стали и алюминия с
помощью микрорентгеноспектрального анализа
исследовали состав переходной зоны соединения.
Учитывая то, что толщина интерметаллидной
прослойки не превышает 5 мкм, а отдельных сло-
ев — не более 2 мкм, запись проводили под углом
10° по отношению к границе соединения. Кроме
того, определяли структурные составляющие пе-
реходной зоны шва путем облучения исследуе-
мого объекта неподвижным зондом. На основании
анализа диаграмм распределения элементов мож-
но заключить, что интерметаллидная прослойка,
образующаяся в переходной зоне, имеет сложный
состав, в ее отдельных слоях можно обнаружить
фазы на основе Fe3Al, FeAl2, FeAl3, которые ле-
гированы соответственно кремнием, медью и цин-
ком. Согласно литературным данным [3], такое
легирование препятствует дальнейшему росту ин-
терметаллидной прослойки, что особенно важно
при эксплуатации алюминиево-стального пере-
ходника в условиях повышенных температур.
Выводы
1. Предложенная технология контактной сварки
сопротивлением позволяет получать качествен-
ные алюминево-стальные соединения сложной
конфигурации и развитой площадью поверхнос-
ти. По сравнению с технологией традиционной
контактной сварки новая технология предус-
матривает более низкую удельную мощность и
меньшее усилие осадки, что существенно улуч-
шает массогабаритные показатели контактных ма-
шин.
2. Процесс сварки происходит в два этапа: об-
разование жидкой металлической фазы, смачива-
ние ею основного металла и вытеснение расплав-
ленного флюса; схватывание алюминия с алити-
рованным слоем при пластической деформации
в твердой фазе.
3. В зоне контакта алюминия со сталью об-
разуется интерметаллидная прослойка толщиной
не более 5 мкм, обогащенная активирующими
присадками, которые снижают скорость ее роста.
1. Гельман А. С. Основы сварки давлением. — М.: Маши-
ностроение, 1970. — 312 с.
2. Хансен М. Структура бинарных сплавов. — М.: Машгиз,
1941. — 150 с.
3. Рябов В. Р. Сварка алюминия и его сплавов с другими
металлами. — Киев: Наук. думка, 1983. — 264 с.
A new technology has been developed for flash-butt welding of aluminium to steel in fabrication of bimetal transition
pieces of a large-cross-section current-carrying buses, used in electrolyzers in aluminium production. The mechanism of
pack deformation and welded joint formation has been studied. An experimental set-up and welding process control module
have been manufactured.
Поступила в редакцию 22.12.2005,
в окончательном варианте 16.01.2006
Рис. 3. Микроструктура ( 400) сварного соединения алюминий –
сталь, полученного при использовании флюса с кремнием
48 8/2006
|