Вежливо и не без выгоды эксплуатируем (bmwservice) wrote,
Вежливо и не без выгоды эксплуатируем
bmwservice

Свара дисков: варить нельзя выбрасывать!

Poll #2087848 Варил металл

Варил диски...

...и проблем не было
31(91.2%)
...и проблемы были
3(8.8%)

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.


Рис. 1 Сварные швы башни Т34

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.


Рис. 2 Финальная стадия образования эвтектики в сплаве.


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).


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.


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.


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 АlMg 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


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)





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.


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:

  1. 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.

  2. Место сварки потенциально будет менее пластично (более хрупко) и менее прочно. Это концентратор напряжений.

  3. 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.

  4. Самое низкое качество при сварке электродами, за ними следует аргон.

  5. 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.

На сладкое - при действии знакопеременных нагрузок прочность соединений относительно невелика. Например, напряжения в листе при усталостном разрушении точечной сварки составляет всего 20 Мпа. Для сравнения, у эпоксидной смолы этот показатель 20-90 Мпа, т.е. в теории, надежнее будет просто заклеить трещину поксиполом или моментом.
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, убейтесь прямо в гараже не выезжайте из гаража.

К.т.н по направлению «Обработка материалов давлением»,
руководитель направления «Промышленность»
центра компетенций НТИ Министерства образования РФ,
заслуженный читатель Блога.
Tags: немое, свара, склоково
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 79 comments